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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.43.2023.tde-27102023-111308
Document
Author
Full name
André Cezar Pugliesi da Silva
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2023
Supervisor
Committee
Correia, Alexandre Lima (President)
Cacheffo, Alexandre
Franco, Marco Aurélio de Menezes
Pauliquevis Junior, Theotonio Mendes
Rizzo, Luciana Varanda
Title in Portuguese
Forçantes radiativas instantâneas devido ao primeiro efeito indireto de aerossóis antropogênicos durante o experimento GoAmazon 2014/5
Keywords in Portuguese
Amazônia
Efeito Twomey
Forçante radiativa climática
Nuvens quentes, libRadtran
Abstract in Portuguese
O sistema climático global depende fundamentalmente da energia radiante proveniente do Sol. Ao atingir a atmosfera, a radiação solar interage diretamente com os aerossóis atmosféricos através de mecanismos de espalhamento e de absorção. A interação indireta, por sua vez, acontece quando os aerossóis modificam as propriedades micro e macrofísicas de nuvens, as quais podem refletir mais ou menos radiação de volta ao espaço. Alterações na fração de cobertura do céu, mudanças na quantidade de aerossóis e alterações em nuvens devido à influência dos aerossóis afetam o equilíbrio radiativo global. Essas perturbações causam as forçantes radiativas climáticas (ou RF, de Radiative Forcings), diferenças na irradiância líquida no topo da atmosfera (ou TOA, de Top of Atmosphere) entre os estados atmosféricos de referência e perturbado. Algumas RF ocorrem devido ao primeiro efeito indireto de aerossóis em nuvens (efeito Twomey), que consiste em um aumento na quantidade de gotas pequenas de nuvens líquidas, acarretando a elevação da quantidade de radiação refletida de volta ao espaço. Esta pesquisa buscou obter estimativas localizadas de forçantes radiativas instantâneas devido ao primeiro efeito indireto de aerossóis (IRFaci) vinculado a nuvens quentes na Amazônia. Para isso foram utilizados conjuntos de dados obtidos a partir de medições realizadas in situ e através de sensoriamento remoto (a partir do solo) durante a campanha GoAmazon 2014/5. Essas medidas possibilitaram a configuração de modelos de nuvens quentes que serviram de input para que um código de transferência radiativa (libRadtran) calculasse valores diários de irradiância ascendente no TOA para 2014 e 2015. As IRFaci foram calculadas segundo dois estados de referência atmosférica, a partir dos quais os resultados foram discriminados. O primeiro desses estados considerou os dias mais limpos (com relação a aerossóis) identificados durante os primeiros meses de 2014 e 2015, enquanto o segundo levou em conta também dois dias menos poluídos em Setembro de 2014. As distribuições anuais de IRFaci obtidas para as duas referências indicam uma variação entre 2014 e 2015, sendo que, em geral, as forçantes referentes a 2014 são mais negativas que as de 2015. Os valores médios de IRFaci para a campanha GoAmazon 2014/5 relativos aos dois estados de referência utilizados foram de -11.79 [-23.0; -2.44] W/m² e -1.30 [-5.8; 0.59] W/m², respectivamente. Tais valores são compatíveis com quantidades máximas de IRFaci por unidade de profundidade óptica de aerossóis obtidas na literatura para a Amazônia. O valor obtido para o segundo estado de referência é equivalente à mais recente estimativa obtida pelo Intergovernmental Panel on Climate Change, -0.7 ± 0.5 W/m². Além disso, os resultados indicam que a sensibilidade das IRFaci em relação à variação na carga de aerossóis é maior na primeira metade do ano do que na segunda, períodos nos quais a atmosfera amazônica apresenta menores e maiores níveis de disponibilidade de aerossóis antropogênicos, respectivamente. As técnicas e resultados apresentados constituem uma abordagem única no que diz respeito ao cálculo de IRFaci vinculado ao efeito Twomey de nuvens quentes sobre a Amazônia, colaborando para um melhor entendimento deste importante indicador da influência humana sobre o clima da região.
Title in English
Instantaneous radiative forcings due to the first indirect effect of anthropogenic aerosols during the GoAmazon 2014/5 experiment
Keywords in English
Amazon
Climatic radiative forcing
libRadtran
Twomey effect
Warm clouds
Abstract in English
The global climate system depends fundamentally on the radiant energy coming from the Sun. Upon reaching the atmosphere, solar radiation interacts directly with atmospheric aerosols through scattering and absorption mechanisms. The indirect interaction, in turn, occurs when aerosols modify the micro and macrophysical properties of clouds, which can reflect more or less radiation back into space. Changes in the fractional sky cover, changes in the amount of aerosols, and in clouds due to the influence of aerosols affect the global radiative balance. These perturbations cause the climatic radiative forcings (RF), differences in net irradiance at the top of the atmosphere (TOA) between the reference and disturbed atmospheric states. Some RF occurs due to the first indirect effect of aerosols on clouds (the so-called Twomey effect), which consists of an increase in the number of small drops of liquid clouds, causing an increase in the amount of radiation reflected back to space. This research aims to obtain localized estimates of instantaneous radiative forcing due to the first indirect effect of aerosols (IRFaci) linked to warm clouds in the Amazon. For this, datasets obtained from in situ measurements and through remote sensing (from the ground) during the GoAmazon 2014/5 campaign were used. These measurements enabled the configuration of warm cloud models that served to feed a radiative transfer code (libRadtran) that calculated daily values of upward irradiance in the TOA for 2014 and 2015. The IRFaci were calculated according to two atmospheric reference states, from which the results were discriminated. The first of these states considered the cleanest days (in terms of aerosols) identified during the first months of 2014 and 2015, while the second also took into account two less polluted days in September 2014. The annual IRFaci distributions obtained for the two references indicate a variation between 2014 and 2015, and, in general, the resulting forcings for 2014 are more negative than those for 2015. The average IRFaci values for the GoAmazon campaign relative to the two reference states used were -11.79 [- 23.0; -2.44] W/m² and -1.30 [-5.8; 0.59] W/m², respectively. Such values are compatible with the maximum amounts of IRFaci per unit of aerosol optical depth obtained in the literature for the Amazon. The result obtained for the second reference state is equivalent to the most recent estimate obtained by the Intergovernmental Panel on Climate Change, -0.7 ± 0.5 W/m². In addition, the results indicate that the sensitivity of IRFaci in relation to the variation in aerosol load is greater in the first half of the year than in the second, periods in which the Amazonian atmosphere presents lower and higher levels of availability of anthropogenic aerosols, respectively. The techniques and results presented constitute a unique approach concerning the calculation of IRFaci linked to the Twomey effect of warm clouds over the Amazon, contributing to a better understanding of this important indicator of human influence on the regions climate.
 
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Publishing Date
2023-11-09
 
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