Vimos no capítulo 4 que a correcta determinação de fluxos verticais de massa ou de energia, por meio da aplicação de métodos micrometeorológicos, depende do rigor com que se medem as variáveis instantâneas ou médias do escoamento e do fluído atmosférico e, ainda, de um conjunto de condições ambientais relacionadas com a validação da hipótese de fluxo constante. Deste modo, para assegurarmos a avaliação do fenómeno de transferência seca, a partir de uma série de medições o mais isenta possível de erros, desenvolvemos um “filtro” de selecção de dados, para cada um dos poluentes atmosféricos estudados neste trabalho.
Os “filtros” são constituídos por um conjunto de critérios restritivos, capazes de eliminar (preferencialmente) os registos experimentais recolhidos em condições desfavoráveis ao estudo da transferência vertical de ozono, dióxido de enxofre e óxidos de azoto, na interface atmosfera/superfície. Basicamente, a aplicação dos “filtros” de selecção visa a eliminação de dados de fluxos, associados a períodos em que se registaram condições meteorológicas desfavoráveis à medição rigorosa de fluxos e de perfis verticais de concentração, sempre que a análise dos fluxos em termos de analogia de resistências gera resultados de interpretação difícil ou ambígua e quando
se detectam valores “ilegais” de variáveis relevantes. Consideram-se valores “ilegais” os dados de uma variável que são literalmente impossíveis de ocorrer, tendo em linha de conta o fenómeno em observação. Os critérios restritivos, que constituem os “filtros” de selecção desenvolvidos para este estudo, encontram-se listados no quadro 6.4, sendo a maior parte deles similares aos aplicados ou discutidos por outros autores (Garrat, 1980; Fowler e Duyzer, 1989; Baldocchi et al., 1988; Erisman et al., 1994b). Ainda que existam metodologias mais sofisticadas para detectar a presença das condições desfavoráveis acabadas de focar (Affre et al., 1996; Dutaur et al., 1999), tendo em consideração o elevado volume de informação, bem como o propósito desta investigação, impunha- se o uso de procedimentos simples e de aplicação rápida.
Quadro 6.4
Critérios de selecção de dados de fluxos de ozono, dióxido de enxofre e óxidos de azoto
Critério de Selecção O3 NOX SO2 1. Velocidade do vento -1 s m 1 ≥ U y y y 2. Hipótese de Taylor σU ≤0.5 U y y y 3. Velocidade de fricção -1 s m 05 0. * U ≥ y y y
4. Coeficiente de arrasto Cdrag <0.02 y y y
5. Estabilidade atmosférica L>1 m y y y
6. Variações da direcção vento σθ≤30º y y y
7. Tensão de Reynolds τ≥0 y y y
8. Fetch Wind.Dir= f(local) y y y
9. Sentido do fluxo F≤0
(
deposição)
y10. Limite de detecção Ci > f1(instr.,unidades) y y
11. Coeficiente de Variação C 0.2 c CV =σ ≤ y y 12. Variação temporal ∆C ∆t≤0.2F ∆z y y 13. Limites de Vd Max , d d . V V <15 y
O quadro anterior mostra-nos que cada “filtro” de selecção é composto por um determinado número de critérios restritivos, variando entre um mínimo de nove para o ozono e um máximo de doze para o dióxido de enxofre, ficando pelos onze no que respeita aos óxidos de azoto. Apesar de apresentarem um número diferente de restrições, todos os filtros possuem uma base comum de oito critérios, direccionados para a rejeição de condições meteorológicas adversas, quer para a medição
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rigorosa de fluxos pelos métodos micrometeorológicos, quer no que concerne à avaliação dos mecanismos reguladores subjacentes, com base na analogia de resistências. Os restantes estão relacionados com a natureza do fenómeno de transferência seca subjacente e com o método usado no registo desse mesmo fenómeno.
A rejeição de dados relativos a períodos caracterizados por baixas velocidades do vento (< 1 m s-1) é uma prática comum em experiências deste género. Quando ocorrem ventos fracos, a turbulência mecânica, principalmente a associada a frequências elevadas, decai substancialmente e a razão sinal/ruído do sensor de velocidade pode aumentar de forma significativa. Outro aspecto relacionado com os períodos de vento fraco é o aumento da incerteza da teoria de Monin-Obukhov e, por conseguinte, das relações fluxo/gradiente. A incerteza da teoria de Monin-Obukhov torna-se particularmente elevada nas condições estáveis que prevalecem durante a noite, e em condições fortemente instáveis, durante as quais a convecção térmica domina completamente o transporte vertical. A aplicação adicional das restrições respeitantes à velocidade de fricção e ao parâmetro de estabilidade resulta precisamente da necessidade de incrementar a eficiência de rejeição dos “filtros” em relação às condições referidas. Neste caso, as condições de extrema estabilidade ou instabilidade da atmosfera coincidem frequentemente com os períodos de vento fraco.
Outros critérios, tais como a verificação da hipótese de Taylor, as condições de fetch e as flutuações observadas na direcção do escoamento, foram incluídos para assegurar a detecção de medições potencialmente afectadas pelos problemas de não-estacionaridade e não-homogeneidade do escoamento atmosférico (Foken e Wichura, 1996). A condição para a validação da hipótese de Taylor foi sugerida em 1976 por Willis e Deardorff (citado em Stull, 1988), na qual está implícito que a intensidade de turbulência deve ser relativamente inferior à velocidade média do vento. A direcção do vento é o parâmetro que permite seleccionar apenas as medições, associadas a situações em que o vento sopra de quadrantes com condições razoáveis de fetch, eliminando deste modo os períodos em que as medições se efectuaram na zona de transição das camadas limites internas, a qual é caracterizada por um escoamento turbulento fortemente instacionário. Mas, se a inclusão deste critério foi um ponto assumido logo de início, a definição dos limites de validação foi particularmente difícil, na medida em que a rejeição de medições assentes nos pressupostos teóricos (isto é, exclusão de medições relativas a massas de ar provenientes de sectores com fetch inferior a 500 m) colocaria em risco o objectivo nuclear deste trabalho. Assim, antes de se estabelecerem os limites adequados para a direcção do vento, a transferência seca foi analisada por sectores de 10º, de modo a avaliar a influência das medições respeitantes a massas de ar transportadas de sectores que se apresentavam mais críticos, na magnitude e no padrão de transferência seca característicos de cada local. Face aos resultados obtidos, este critério apenas foi aplicado à base de dados recolhida no monte dos Baldios, de forma a rejeitar os períodos relativos a
massas de ar provenientes do sector compreendido entre os 70º e os 100º, para o qual o fetch era inferior a 100 m.
As restrições referentes ao domínio de validação dos valores do coeficiente de arrasto e dos valores da tensão de Reynolds foram incluídas pela sua eficácia na detecção de condições ambientais desfavoráveis, e pelo facto de se terem revelado dois parâmetros bastante sensíveis a anomalias várias do sistema de medição. Em ambas as situações, os valores experimentais destes dois parâmetros assumem normalmente valores ditos “ilegais”.
Além destes oito critérios, relacionados com as condições meteorológicas desfavoráveis, o “filtro” aplicado aos dados de ozono dispõe ainda de mais uma restrição, a qual visa a rejeição de todos os fluxos de sinal positivo, ou seja, fluxos de emissão. A inclusão deste critério deve-se ao facto de considerarmos que os fluxos de sinal positivo são uma consequência de imprecisões do sistema de medição, principalmente quando os fluxos de deposição de ozono são muito próximos de zero. De facto, não se conhecem fontes deste poluente, ao nível da superfície. O dióxido de enxofre é também, à partida, um poluente maioritariamente absorvido pela superfície, mas ao contrário do que se passa com o ozono, a emissão deste poluente pode ocorrer na natureza. Como discutimos no capítulo 2, a emissão de SO2 pode resultar fundamentalmente de dois processos: da
volatilização do dióxido de enxofre dissolvido (SO2 (aq.)) e da oxidação de compostos reduzidos
de enxofre emitidos pela superfície. Por esta razão, o critério 9 não se estendeu aos fluxos de dióxido de enxofre, ainda que parte dos fluxos positivos registados para este poluente possam ser eventualmente uma consequência directa de erros experimentais.
No cálculo do fluxo dos poluentes gasosos, pelo método do gradiente, aplicaram-se ainda outros critérios restritivos, de modo a assegurarmos que as observações seleccionadas correspondessem preferencialmente a períodos em que o perfil vertical de concentração fosse medido com elevado rigor e precisão. Para tal, tivemos em consideração dois importantes aspectos: o primeiro prende-se com a capacidade e a sensibilidade de resposta do instrumento de medição; o segundo com a influência da variação temporal (e implicitamente a variação espacial) dos níveis atmosféricos destas espécies gasosas na medição do gradiente.
Na determinação correcta do gradiente de concentração é imprescindível que os valores de concentração estejam bem acima do limite de detecção dos aparelhos usados. Deste modo, tendo por base as especificações técnicas dos instrumentos de medição, rejeitamos os fluxos de SO2
derivados de concentrações inferiores a 0.5 µg m-3, e os fluxos de NO e NO2, referentes a períodos
em que os valores de concentração destes poluentes são inferiores a 0.2 µg m-3. Relativamente ao SO2, o limite inicialmente adoptado foi posteriormente incrementado para 3 µg m
-3
, de modo a assegurar uma avaliação mais correcta dos mecanismos de deposição seca deste poluente, com base
Capítulo 6
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na aproximação da analogia de resistências. Na verdade, ainda que no começo parecesse razoável excluir apenas os períodos respeitantes a concentrações inferiores a aproximadamente três vezes o limite de detecção do aparelho, verificamos que, quando as concentrações de SO2 são inferiores a 3
µg m-3, os fluxos exibem uma variação aleatória, de baixa amplitude, em torno do valor zero. E, ainda que a detecção de fluxos bidireccionais de SO2 seja perfeitamente possível, o comportamento
exibido pelo fenómeno em situações de baixas concentrações de SO2, é certamente um reflexo do
ruído electrónico do aparelho. Este afecta a medição do gradiente de concentração e, consequentemente, os valores dos fluxos estimados, principalmente em condições de grande instabilidade da atmosfera (Mennen et al., 1997).
Os efeitos da variação temporal/espacial na determinação do gradiente vertical foram tidos em consideração pelo estabelecimento de limites para o coeficiente de variação e para a variação temporal da concentração de cada espécie, entre dois períodos médios de amostragem consecutivos. Estas restrições juntaram-se assim a outras já referidas, na tentativa de assegurarmos uma redução efectiva da fracção de medições com efeitos relevantes de advecção ou instacionaridade nas concentrações das espécies químicas. A inclusão destes critérios permitiu incrementar a margem de segurança em relação ao facto de os valores experimentais de gradiente de concentração serem única e exclusivamente resultantes da acção do transporte vertical turbulento e dos processos de destruição/produção das moléculas ao nível da superfície.
Finalmente, incluímos ainda uma última restrição, que rejeita fluxos correspondentes a estimativas de velocidades de deposição seca de SO2 que excedam em 50% o seu valor máximo
(Vdmax foi definido na secção 5.2.2). Acima deste limite considera-se que a medição de fluxos foi
afectada por um conjunto de condições anómalas não detectadas pelos critérios anteriores.