Apresentação do PowerPoint - Universidade de São Paulo

Determinação da Espessura Óptica de Aerossóis através
de Fotômetros Didáticos no Estado de São Paulo
O.C.Emmert
S. de Lucca
[email protected]
[email protected]
Projeto da turma de Física Experimental IV (2004) - Profª.: Eloisa M. Szanto
Resumo
Foram construídos 9 fotômetros didáticos, para medir a espessura óptica de aerossóis (EOA). Nestes fotômetros utilizou-se led’s como foto-receptores, para tanto as curvas características destes foram
analisadas. Estes fotômetros forneciam uma tensão para uma dada incidência luminosa. Para encontrar o valor da EOA foi necessário calibrá-los a partir dos dados do fotômetro da NASA. Dessa
calibração obteve-se uma constante (V0), necessária no cálculo das EOA’s. Verificou-se que os dados obtidos pelos nossos fotômetros possuem um comportamento semelhante aos do fotômetro da
NASA, porém com valores superiores. Estudando essa diferença (offset), levantou-se a hipótese da dependência inversamente proporcional da EOA com o comprimento de onda (λ) da radiação
eletromagnética espalhada. Também se verificou que esse offset é constante porcentualmente ao longo do dia. Os dados se dividem em dois conjuntos: no IFUSP e nas cidades periféricas, tomados em
três horários diferentes. Em ambos verificou-se uma diminuição da EOA no período da tarde de cerca de 22%. De acordo com as cidades analisadas, percebeu-se que a EOA diminui com o aumento da
distância à cidade de São Paulo. Ao comparar os dados do fotômetro didático com os satélites AQUA e TERRA, obteve-se a mesma dependência com o comprimento de onda observada para o
fotômetro da NASA.
OBJETIVOS
ANÁLISE
Com a utilização de fotômetros didáticos, fizemos os seguintes estudos:
- Validação dos dados utilizando o fotômetro da NASA (localizado no Pelletron);
- Análise da EOA em diversas cidades do Estado de São Paulo (que pode estar ligada à poluição);
- Comparação dos nossos dados com os dos satélites da NASA: AQUA e TERRA.
Comparação: EOA Fotômetro Didático - NASA
Verificações (Gráfico 2):
ASPECTOS TEÓRICOS
LED – 612 (20) nm
Conceitos utilizados no estudo
Termo
Significa...
Aerossol
Partículas sólidas ou líquidas em suspensão num meio
gasoso juntamente com o meio em que estão imersas
NASA – 670 nm
Medida da quantidade de material que interage com a
radiação solar ao atravessar um determinado caminho
A espessura total é devida à contribuição da absorção
devido aos diferentes gases, ao espalhamento
Espessura Óptica Total
molecular Rayleigh e do espalhamento e absorção
pelos aerossóis
Descreve a atenuação da radiação ao atravessar um
Lei de Beer-Lambert-Bouguer meio homogêneo atmosfera), causada por absorção
e/ou espalhamento
Espessura Óptica
Tipos de Espalhamento ocorridos na atmosfera e suas características
Tipo
Atua quando...
raio da partícula ≈ λradiação
Lei de Beer-lambert-Bouguer
⎛ V - VD
τ = − cos θ. ln ⎜⎜
⎝ V0
⎞
⎟⎟
⎠
Gráfico 2: Exemplo de comparação entre os dados obtidos pelos
fotômetros didáticos e os obtidos pelo fotômetro da Nasa
Análise do offset
Verificação (Gráfico 3):
- Através do Gráfico 3 percebe-se que
porcentualmente o off set se mantém
constante ao longo do dia
Espalhamento
Rayleigh raio da partícula < λradiação
Mie
proporcional à 1/λ4
igual em todas as direções
θ = ângulo solar zenital, no instante da medida
τ = espessura óptica de aerossóis
V0 = “tensão no espaço” (valor da tensão no topo da
atmosfera, obtido com a calibração dos fotômetros)
VD = “tensão no escuro” (medida na ausência de luz)
Gráfico 3: Comportamento do offset entre os dados dos fotômetros
didático e o da NASA, ao longo do dia da calibração.
Análise das EOA’s
LED – 612 (20) nm
<EOT> manhã: 0,32
Horários:
10hs
14hs
16hs
IFUSP
Diário
Semanal
Guarulhos
Mairinque
S. B. do Campo
Sorocaba
Tietê
tarde:
0,26
Comparação dos Dados
Diário
Período:
09/05/04
a
26/0604
Fotômetro da NASA
(Pelletron)
Semanal
Satélites
(AQUA e TERRA)
Calibração / Validação
Obs.: As medidas semanais foram feitas nos horários que coincidiam com a passagem do satélite (um único horário), ou
seja, simultaneamente nas 5 cidades. As medidas não eram tomadas se houvesse nuvens.
Fotômetro
Ajuste linear do
Gráfico: τ x ln [(V-VD)/V0]
τ = 0, nos dá o V0 para cada fotômetro
Gráfico 1: Ajuste linear feito a partir dos dados obtidos no dia da
calibração, para obter a “tensão no espaço”. Onde τ é espessura
óptica total fornecida pelo fotômetro da NASA, para um dado
comprimento de onda e V é a tensão medida pelo fotômetro
didático.
Bateria
Entrada da luz
LED
Chave Liga-Desliga
Obs.: nesse dia choveu à tarde, portanto a
úmida relativa do ar estava elevada, e isso
pode ter sido o fator responsável pelo aumento
da EOA em razão da adsorção de água pelas
partículas de aerossóis, o que aumenta seu
tamanho.
Menor EOA: ~0,13
Condição do tempo: medida obtida após um longo período de chuvas, que provavelmente
diminuiu a quantidade de partículas na atmosfera.
- Guarulhos apresentou as maiores EOA’s:
máximo valor de 0,34(4);
- Sorocaba, Mairinque e Tietê
apresentaram comportamento da EOA
aproximadamente constante;
- São Bernardo apresentou a maior
variação (0,27(6)). Causa possível: EOA
elevada no dia em que houve uma chuva
de granizo, após a tomada de dados.
NASA
Espessura
Óptica Total (τ)
Tensão (V)
Gráfico 4: Valores de EOA obtidos em todos os dias nos três
períodos de medições, com os valores médios, obtidos para cada
período.
Maior EOA: ~ 0,58
Condição do tempo: céu esbranquiçado,
que em geral caracteriza quantidades
elevadas de aerossóis grandes, que
espalham a radiação em todas as
direções.
Cidades Periféricas (Gráfico 5)
Calibração dos Fotômetros
Didático
IFUSP (Gráfico 4)
almoço: 0,33
METODOLOGIA
Tomada de Dados
- Comportamento semelhante entre os
nossos dados e da NASA;
- Há uma diferença (offset) entre os
dados que era esperada, pois nosso
fotômetro
fazia
medidas
no
comprimento de onda em torno de
610nm e o da NASA em 670nm. E é
sabido que as EOA’s da NASA são
inversamente proporcionais à λ,
portanto, essa diferença era esperada.
Circuito Integrado
Mira
Terminais p/ leitura da tensão
A Figura 1 (a esquerda) mostra a foto de
um dos fotômetros construídos. Os
materiais
utilizados
podem
ser
encontrados em qualquer loja de
eletrônicos comum. E um dos pontos
interessantes desse trabalho foi que,
com menos de R$10,00, conseguimos
desenvolver um equipamento que
apresentou resultados muito bons,
comparáveis a de aparelhos caros como
o rôbo e os satélites da NASA.
Figura 1: Fotômetro didático construído com a
utilização de materiais de baixo custo
Análise Conjunta - IFUSP/Cidades
Gráfico 5: Valores médios de EOA, por período, para as
cidades analisadas.
- Maior o período de ausência de chuvas, maior a EOA medida;
- A EOA no período da tarde foi inferior a medida no período da manhã e do almoço.
Conclusão
- Fotômetros Didáticos apresentam dados
semelhantes aos do NASA (fotômetro e
-.
satélites);
Novas Pesquisas
- Realizar uma comparação mais
ampla (com mais cidades e horários)
entre os dados do fotômetro didático
e os satélites;
- EOA diminui ao decorrer da tarde;
- EOA diminui a medida que nos
distanciamos da cidade de São Paulo.
- Fazer as mesmas análises feitas
nesse trabalho, mas para λ’s
diferentes (led’s de outra cor);
Agradecimentos: Eloisa M. Szanto; Alexandre L. Correia; Andrea D. de Almeida Castanho; Melina M. de Andrade Paixão;
Carlos Alberto Pires Jr.; Funcionários do LabDid.