MEDIÇÃO DA ESPESSURA ÓPTICA DE AEROSSÓIS COM FOTÔMETROS DIDÁTICOS

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## MEDIÇÃO DA ESPESSURA ÓPTICA DE AEROSSÓIS COM FOTÔMETROS DIDÁTICOS NO ESTADO DE SÃO PAULO

De Lucca, Silvia [silvia\_delucca@yahoo.com.br] a Emmert, Otávio de Campos [ocemmert@yahoo.com.br] a

a Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IFUSP)

## RESUMO

O presente trabalho teve como objetivo medir a espessura óptica de aerossóis (EOA) na cidade de São Paulo e em outras cidades periféricas, com a utilização de fotômetros didáticos, pois através dessa medida pode-se quantificar a poluição na atmosfera.

Nos fotômetros didáticos foram utilizados LED's como fotosensores. A fim de converter a tensão medida no fotômetro em EOA utilizou-se a Lei de Beer-LambertBouguer. E fez-se a calibração de cada fotômetro com o fotômetro robótico pertencente ao projeto AERONET da NASA, para validar os dados obtidos. Essa calibração forneceu a relação entre a tensão medida e a EOA medida pela NASA.

O estudo revelou que os valores de EOA obtidos pelos fotômetros didáticos foram superiores aos da NASA, mas ambos apresentaram o mesmo comportamento. Ao analisar essa diferença, verificou-se que poderia ser devido ao fato de a EOA ser inversamente proporcional ao comprimento de onda da luz, pois as espessuras medidas pela NASA e pelo fotômetro didático são para comprimentos de onda diferentes. Também foi observado que essa diferença diminui ao decorrer da tarde. No caso da cidade de São Paulo, isso ocorre possivelmente por causa da brisa marítima que chega a essa região nesse período, o que faz com que o tamanho das partículas aumente pela adsorção de água, que por sua vez faz com que a luz seja espalhada por igual para os diferentes comprimentos de onda. Isso faz com que a espessura óptica medida independa desse comprimento.

Destaca-se também que nas cidades analisadas, percebeu-se que a EOA diminui com o aumento da distância à cidade de São Paulo. O que pode indicar que ao se afastar do centro da cidade de São Paulo, onde há muita poluição, a atmosfera vai ficando 'mais limpa'.

PALAVRAS-CHAVES: Espessura Óptica, Fotômetro Didático, Aerossóis, Poluição Atmosférica

## INTRODUÇÃO

Esse projeto teve como intuito medir e analisar a espessura óptica de aerossóis (EOA) na cidade de São Paulo e em 5 outras cidades do estado: São Bernardo do Campo, Guarulhos, Mairinque, Sorocaba e Tietê. Essa medição foi feita com a utilização de fotômetros didáticos construídos pela própria equipe com materiais de baixo custo. Com isso pretende-se mostrar que é possível realizar pesquisa de boa qualidade e sem a necessidade de grandes investimentos, o que acaba sendo um fato de muita relevância não só no âmbito do ensino nacional, mas também do internacional. A importância desse trabalho também pode ser verificada pela possibilidade de contribuição para as pesquisas acadêmicas, pois, segundo Alexandre Lima Correa, do Departamento de Física Aplicada do Instituto de Física da USP, atualmente há um grande esforço da comunidade científica para caracterizar os aerossóis atmosféricos em diversos ecossistemas, a fim de conhecer suas propriedades ópticas, físico-químicas, etc.

## Fotômetro Didático

Fotômetros são instrumentos que permitem medir a radiação eletromagnética por meio de um fotosensor que ao ser sensibilizado pela luz solar gera uma corrente que pode ser medida como tensão. O receptor utilizado foi um LED ( Light Emitter Diode ) comum e, como era necessário que o mesmo fosse sensível numa faixa mais estreita possível do espectro eletromagnético, a curva de caracterização de cada LED foi feita com a utilização de um espectrômetro. Os LED's usados na fabricação dos fotômetros foram os de cor vermelha que, em média, tinham uma máxima sensibilização para comprimentos de onda da ordem de 610nm (comprimento de onda característico).

Como suporte para o LED e as baterias para alimentar o circuito integrado (que amplia o sinal do LED) foi usada uma caixa de fita cassete, iguais as que se encontra em qualquer vídeo locadora.

## Aerossóis

Aerossol pode ser definido como um conjunto de partículas sólidas ou líquidas em suspensão num meio gasoso [Hinds, 1982 in Yamasoe, 1999]. A diminuição dos aerossóis na atmosfera pode ocorrer de várias formas, entre elas: a remoção devido à formação de nuvens, que podem englobar essas partículas, e a precipitação.

Embora o papel específico dos aerossóis no balanço radiativo da Terra ainda seja incerto devido às diversas dificuldades em caracterizar suas propriedades globalmente [YAMASOE, 1999], sabe-se que um efeito direto da presença de aerossóis é o espalhamento e a absorção da radiação incidente, proveniente do espaço ou das camadas superiores da atmosfera.

O processo de espalhamento pode ser dividido em diversos tipos, porém nesse trabalho deuse ênfase em apenas dois: os espalhamentos Mie e Rayleigh. A diferença é que o primeiro ocorre quando as partículas têm tamanhos iguais ou maiores ao comprimento de onda da radiação, e sua intensidade é inversamente proporcional a esse comprimento, sendo sua potência entre -0,7 e -0,2. Já o segundo acontece se as partículas forem bem menores que o comprimento de onda, sendo que a radiância espalhada é inversamente proporcional à 4ª potência desse comprimento. Além disso, há também espalhamentos não-seletivos, que não depende do comprimento de onda, e são produzidos por partículas maiores que 10000nm.

As propriedades de absorção/espalhamento por gases e aerossóis presentes na atmosfera permitem relacionar a quantidade dos mesmos através de uma grandeza chamada espessura óptica , que é a medida da quantidade total de materiais opticamente ativos que se encontram ao longo de um determinado caminho percorrido pela radiação solar.

## Lei de Beer-Lambert-Bouguer

A Lei de Beer-Lambert-Bouguer descreve a atenuação da radiação eletromagnética ao atravessar um meio homogêneo, expressando a variação na intensidade da radiação devido à extinção da mesma causada por absorção e/ou espalhamento ao longo do caminho óptico para um dado comprimento de onda. A partir dessa lei, e do fato que a intensidade da radiação incidente no LED é proporcional à tensão medida, pode-se encontrar a seguinte relação:

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onde τ (espessura óptica total) = τ absorção + τ Rayleigh + τ aerossóis , que corresponde à soma das espessuras devido à absorção da radiação pelos gases, ao espalhamento Rayleigh e aos aerossóis, respectivamente; V = V M-VD sendo que VM é a tensão medida pelo multímetro; V D é a tensão medida na ausência de luz; e V é a constante de calibração (tensão 'medida' topo da atmosfera); e 0 θ é o ângulo solar zenital.

## METODOLOGIA

## Calibração dos Fotômetros e Medições

A relação entre os valores de tensão obtidos e suas respectivas espessuras ópticas, foi obtida por meio da calibração com o fotômetro do projeto AERONET, da NASA, localizado no IFUSP. Essa calibração estabeleceu-se a relação entre a tensão medida e a espessura óptica total, e com isso pode-se obter a constante de calibração (V ). Para obter a espessura óptica dos aerossóis, descontou0 se o valor devido à absorção dos gases e ao espalhamento Rayleigh, que são valores tabelados.

Os dados da NASA utilizados se referiam ao comprimento de onda de 670nm, que era o valor mais próximo do comprimento característico de detecção dos LED's (~610nm), disponibilizado pela agência americana. Vale observar que, de acordo com os dados da NASA, as EOA's são inversamente proporcionais ao comprimento de onda.

A coleta de dados foi feita diariamente no IFUSP e aos fins de semana nas cidades de São Bernardo do Campo, Guarulhos, Sorocaba, Mairinque e Tietê. As medições nas cidades foram feitas sempre simultaneamente e, tanto nas cidades quanto no IFUSP, eram feitas medidas em três horários aproximados: às 10h, 14h e às 16h. O período de coleta foi de 9 de maio a 26 de junho de 2004.

Destaca-se que as medidas não eram realizadas se houvesse nuvens no céu. Isto porque, como dito anteriormente, o que se mede é a espessura óptica total, que incluem as espessuras devido à absorção pelos gases da atmosfera, ao espalhamento molecular Rayleigh e à absorção e espalhamento dos aerossóis.

## ANÁLISE

## Comparação das EOA's obtidas por fotômetros didáticos e pela NASA

Na comparação entre os dados dos fotômetros didáticos, no IFUSP, com os dados da NASA, foi possível verificar que, embora exista uma semelhança de comportamento entre os mesmos, os valores de EOA fornecidos pela NASA são maiores que os obtidos pelos fotômetros didáticos. Essa diferença, aqui chamada de off-set , era esperada, pois o valor de EOA mais próximo disponibilizados pela NASA foi para o comprimento de onda de 670nm, sendo que os LED's tinham comprimento de onda característico da ordem de 610nm. E, conforme já mencionado, de acordo com os dados da NASA, quanto menor o comprimento de onda maior a EOA. Verificou-se também que uma diminuição do off-set no período vespertino ocorreu em todas as cidades onde foram feitas medições. Essa diminuição pode indicar a presença de partículas com tamanho médio maior à tarde, em comparação com o período matutino, e partículas grandes, como já dito, espalham a luz por igual em todos os comprimentos de onda. Isso faz com que a diferença entre os comprimentos de onda disponibilizados pela NASA e o dos LED's não seja tão relevante nesse período, diminuindo assim o off-set .

## EOA's no IFUSP

Os valores de EOA pela manhã e na hora do almoço, variaram e ntre 0,25 e 0,40. E à tarde, esses valores se encontravam entre 0,20 e 0,30. O maior valor de EOA encontrado foi de aproximadamente 0,58, num dia em que o céu estava esbranquiçado, o que pode indicar grande presença de aerossóis na atmosfera que espalhariam a radiação solar por igual em todos os comprimentos de onda. E como nesse mesmo dia choveu à tarde, a umidade relativa do ar deveria estar elevada. Isso pode ter sido o fator responsável pelo aumento da EOA em razão da adsorção de água pelas partículas de aerossóis.

Após um longo período de chuvas, foi registrado o menor valor de EOA (~0,13), pois as precipitações podem ter diminuído consideravelmente a quantidade de partículas na atmosfera.

Uma hipótese para explicar a diminuição das EOA's à tarde, particularmente para os dados obtidos no IFUSP, é que nesse período a brisa marítima avança sobre a cidade de São Paulo, aumentando assim a umidade relativa do ar. Isso poderia causar o aumento de tamanho médio dos aerossóis pela adsorção de água. Porém, essa mesma brisa, seria responsável pela dispersão das partículas suspensas na atmosfera, o que poderia causar uma diminuição da EOA. Portanto, essa é uma hipótese que poderia ser estudada em futuros trabalhos.

## EOA's nas cidades

Observa-se que os valores de EOA são diferentes para cada uma das cidades. A cidade que apresentou maiores valores foi a cidade de Guarulhos ( τ =0,34(4) ). As cidades de Sorocaba, Mairinque e Tietê apresentaram comportamento da EOA aproximadamente constante ao longo dos meses analisados. Enquanto a cidade de São Bernardo foi a que apresentou a maior variação ( τ =0,27(6) . ) Isso ocorreu porque essa cidade apresentou uma EOA elevada num dia em que houve uma chuva de granizo durante o período da tarde (a medida havia sido feita de manhã). Portanto, é provável que a umidade relativa do ar estivesse bastante alta nesse dia, e que devido à adsorção de água pelos aerossóis, a espessura óptica destes tenha aumentado.

Destaca-se que, como já verificado nos dados do IFUSP, quanto maior o período de ausência de chuvas, maior era o valor de espessura óptica medido nas cidades.

## CONCLUSÃO

A partir do conjunto de dados obtido através dos fotômetros didáticos e da análise do mesmo, foi verificado que este apresenta comportamento semelhante aos dados do fotômetro da NASA. E através da comparação dos valores de EOA com os da NASA, foi possível notar que ambos apresentavam mesma relação com comprimento de onda e que uma redução do off-set ocorre no período vespertino, em todos os locais de medição.

Outro fato percebido foi que as chuvas, ao diminuírem a quantidade de partículas na atmosfera, provocam também a diminuição da EOA. Por meio da análise das EOA's nas diferentes cidades observou-se que as mesmas diminuem à medida que nos distanciamos da cidade de São Paulo, o que pode indicar que há uma menor quantidade de aerossóis na atmosfera, que p or sua vez poderia significar menos poluição nessas cidades.

## REFERÊNCIAS

Aeronet, NASA. http://aeronet.gsfc.nasa.gov/index.html. Acessado em: 29/06/04.

Brooks, D.V. &amp; MIMS III, F.M. Development of an inexpensive handheld LED-based Sun photometer for the GLOBE program . Journal of Geophysical Research (JGR), vol. 106, nºD5, pags. 4733-4740, march 16, 2001.RADIAÇÃO SOLAR INCIDENTE. http://fisica.ufpr.br/grimm/aposmeteo/cap2/cap2-7.html. Acessado em: 03/07/04.

Echer, E., Souza, M. P. e Schuch, N. J. A Lei de Beer Aplicada na Atmosfera Terrestre. Rev. Bras. Ens. Fis. [online]. set. 2001, vol.23, no.3 [citado 03 Julho 2004], p.276-283. Disponível na World Wide Web: &lt;http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci\_arttext&amp;pid=S010247442001000300004&amp;lng=pt&amp;nrm=iso&gt;. ISSN 0102-4744.

Martins, J. V., Correia, A. L. Apostila do curso FAP373, IFUSP , 2001.

Yamasoe, M. A. Estudo de Propriedades Ópticas de Partículas de Aerossóis a partir de uma Rede de Radiômetros (Tese de Doutorado). São Paulo, 1999.