Absorção de ondas curtas pela fumaça de incêndio dominada por carbono marrom escuro

May 29, 2023

Nature Geoscience volume 16, páginas 683–688 (2023)Cite este artigo

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Os incêndios florestais emitem grandes quantidades de carbono negro e carbono orgânico que absorve luz, conhecido como carbono marrom, para a atmosfera. Estas partículas perturbam o orçamento de radiação da Terra através da absorção da radiação de ondas curtas que chega. Geralmente pensa-se que o carbono castanho perde a sua capacidade de absorção após a emissão na atmosfera devido ao branqueamento fotoquímico provocado pela luz solar. Consequentemente, o efeito de aquecimento atmosférico exercido pelo carbono castanho permanece altamente variável e mal representado nos modelos climáticos em comparação com o do carbono negro relativamente não reativo. Dado que se prevê que os incêndios florestais aumentem globalmente nas próximas décadas, é cada vez mais importante quantificar estes impactos radiativos. Aqui apresentamos medições de absorção de ondas curtas em escala de conjunto e de partículas em plumas de fumaça de incêndios florestais no oeste dos Estados Unidos. Descobrimos que um tipo de carbono marrom escuro contribui com três quartos da absorção curta de luz visível e metade da absorção longa de luz visível. Esta espécie de aerossol orgânico fortemente absorvente é insolúvel em água, resiste ao fotobranqueamento diurno e aumenta a absortividade com o processamento atmosférico noturno. Nossas descobertas sugerem que as parametrizações do carbono marrom em modelos climáticos precisam ser revisadas para melhorar a estimativa do forçamento radiativo do aerossol de fumaça e do aquecimento associado.

Os aerossóis de fumaça de incêndios florestais causam forte aquecimento atmosférico e resfriamento de grandes superfícies, que são tão importantes para as mudanças climáticas da Terra quanto o dióxido de carbono e outros gases de efeito estufa1,2. A composição em massa dos aerossóis de fumaça é principalmente (> 95%) orgânica (OA) com frações minoritárias (<3%) de inorgânicos e carbono negro grafítico (BC) 2,3, sendo este último considerado o absorvedor dominante de ondas curtas recebidas. radiação solar4. As características de absorção de luz da OA variam amplamente e permanecem pouco restritas nos modelos climáticos5,6. Atualmente, as contribuições para o aquecimento atmosférico do OA absorvente de luz residente em uma pluma são ignoradas ou consideradas insignificantes devido ao fotobranqueamento em comparação com o BC relativamente não reativo nas parametrizações do modelo .

A visão tradicional sustenta que os cromóforos de OA absorvem predominantemente em comprimentos de onda curtos de luz visível, mas de forma insignificante em comprimentos de onda visíveis mais longos, resultando em uma aparência visual acastanhada ou amarelada, daí o nome óptico 'carbono marrom' (BrC)9,10. As técnicas comuns usadas para medir BrC em laboratório ou campo envolvem a extração com solvente da fração orgânica solúvel do material particulado seguida pela medição da absorvância volumétrica usando espectrofotometria ultravioleta (UV) –infravermelho visível11,12,13. A absorbância medida do BrC solúvel é posteriormente convertida em índice de refração imaginário k que normalmente abrange valores entre 10-4 e 10-2 em toda a faixa de comprimento de onda λ de 380 e 500 nm6,14,15. Assim, o componente solúvel BrC da fumaça é fracamente absorvente em comparação com o BC, que tem um alto k ≈ 0,63 nos espectros UV-visível-infravermelho próximo . Além disso, o BrC é altamente suscetível ao branqueamento ou à perda da capacidade de absorção de luz dentro de horas a dias após a emissão .

Estudos laboratoriais recentes14,20,21,22,23 indicam a presença de componentes escuros de BrC (d-BrC) na fumaça da queima de biomassa que absorvem fortemente os comprimentos de onda do visível e do infravermelho próximo. Esta classe de BrC possui baixa volatilidade, é insolúvel e possui altos valores de k ≈ 0,2–0,4 no espectro visível6,15. Foi demonstrado que o componente d-BrC em queimaduras de laboratório compreende 5–15% da massa de fumaça OA, com a fração restante composta de BrC14 solúvel e de fraca absorção. Evidências observacionais de d-BrC em plumas de fumaça de incêndios florestais e sua importância em relação à absorção atmosférica de ondas curtas permanecem indefinidas.

Integramos observações em escala de massa e de partículas para caracterizar as propriedades ópticas e físico-químicas dos componentes dominantes de absorção de luz nas plumas de fumaça dos incêndios florestais no oeste dos EUA. Este estudo fez parte da campanha de campo2019 patrocinada pela NASA (National Aeronautics and Space Administration)/National Oceanic and Atmospheric Administration24, Influência do Fogo em Ambientes Regionais e Globais e Qualidade do Ar, para investigar a composição da pluma de incêndios florestais no oeste. Um conjunto de instrumentos de caracterização de aerossóis e gases foi operado a bordo do Aerodyne Mobile Laboratory baseado em terra e da aeronave Douglas DC-8 da NASA. Medições sincronizadas, na medida do possível, foram realizadas em cada plataforma para interceptar e estudar plumas durante a temporada de incêndios florestais de 2019, desde perto (menos de 3 km) da área de manejo do fogo até a troposfera (10–11 km de altitude).