Sensoriamento Remoto do Clima - DSR

Sensoriamento Remoto do
Clima
Monitoramento do sistema climático
por satélite
Milton Kampel
Ministério da Ciência e Tecnologia
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
1
Eventos climáticos extremos

Entre 2000-2009 muitos eventos extremos
ocorreram ao redor do planeta:
 Chuvas
torrenciais inundaram Moçambique em 2000,
devastando o país
Milton Kampel
SRClima
2
Eventos climáticos extremos

Entre 2000-2009 muitos eventos extremos
ocorreram ao redor do planeta:
 Chuvas
torrenciais inundaram Moçambique em 2000,
devastando o país
 A Europa sofreu com ondas de calor em 2003
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SRClima
3
Eventos climáticos extremos

Entre 2000-2009 muitos eventos extremos
ocorreram ao redor do planeta:
 Chuvas
torrenciais inundaram Moçambique em 2000,
devastando o país
 A Europa sofreu com ondas de calor em 2003
 O ano de maior atividade de ciclones tropicais no
Atlântico foi registrado em 2005
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SRClima
4
Eventos climáticos extremos

Entre 2000-2009 muitos eventos extremos
ocorreram ao redor do planeta:
 Chuvas
torrenciais inundaram Moçambique em 2000,
devastando o país
 A Europa sofreu com ondas de calor em 2003
 O ano de maior atividade de ciclones tropicais no
Atlântico foi registrado em 2005
 Chuvas das monções excepcionalmente intensas e
inundações/alagamentos afetaram 30 milhões de
pessoas no Sul da Ásia em 2007
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SRClima
5
Eventos climáticos extremos

Entre 2000-2009 muitos eventos extremos
ocorreram ao redor do planeta:
 Chuvas
torrenciais inundaram Moçambique em 2000,
devastando o país
 A Europa sofreu com ondas de calor em 2003
 O ano de maior atividade de ciclones tropicais no
Atlântico foi registrado em 2005
 Chuvas das monções excepcionalmente intensas e
inundações/alagamentos afetaram 30 milhões de
pessoas no Sul da Ásia em 2007
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6
Eventos climáticos extremos

Entre 2000-2009 muitos eventos extremos
ocorreram ao redor do planeta:
 Chuvas
torrenciais inundaram Moçambique em 2000,
devastando o país
 A Europa sofreu com ondas de calor em 2003
 O ano de maior atividade de ciclones tropicais no
Atlântico foi registrado em 2005
 Chuvas das monções excepcionalmente intensas e
inundações/alagamentos afetaram 30 milhões de
pessoas no Sul da Ásia em 2007
 Recorde de ondas de calor na Austrália em 2009
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Eventos climáticos extremos

Entre 2000-2009 muitos eventos extremos
ocorreram ao redor do planeta:
 Chuvas
torrenciais inundaram Moçambique em 2000,
devastando o país
 A Europa sofreu com ondas de calor em 2003
 O ano de maior atividade de ciclones tropicais no
Atlântico foi registrado em 2005
 Chuvas das monções excepcionalmente intensas e
inundações/alagamentos afetaram 30 milhões de
pessoas no Sul da Ásia em 2007
 Recorde de ondas de calor na Austrália em 2009
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8
Eventos climáticos extremos


Quando se busca prever esses tipos de fenômenos
meteorológicos extremos, devemos diferenciar aqueles
causados por uma confluência incomum de fenômenos
atmosféricos de curto prazo daqueles relacionados ou
agravados por padrões climáticos e ciclos.
Nesta aula, vamos examinar diversos eventos de clima e
seu impacto no tempo. Veremos o papel importante que os
satélites de observação da terra realizam no
monitoramento ambiental.
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9
Sistema climático, Parte 1

Os ciclos climáticos ocorrem em uma variedade de
escalas espaciais e temporais: Intra e Inter-sazonal – duração
de semanas a meses.
 Estes são padrões de circulação atmosférica e precipitação que
mudam sazonalmente.
 As monções ocorrem a cada ano, mas suas localizações e extensões
determinam as áreas com secas ou inundações.
 A temporada de ciclones tropicais é outro exemplo. Ocorre na mesma
época do ano, mas com variação no número e intensidade das
tempestades.
 O El-Nino e La-Nina são ciclos de anomalias de temperaturas no
Pacífico que afetam os climas adjacentes de forma distinta e até certo
ponto previsível. Duração de vários meses a 1 ano.
 Oscilações de Madden-Julian (MJO) circulam o globo de Oeste para
Leste a cada 30-60 dias. Afetam o desenvolvimento de ciclones
tropicais e a precipitação em diferentes regiões do planeta.
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10
Sistema climático, Parte 1

Os ciclos climáticos ocorrem em uma variedade de
escalas espaciais e temporais: Interanual.

Estes são padrões de circulação atmosférica e precipitação que
mudam sazonalmente. Exemplos:
Oscilação Quase-Bianual (QBO) – reversão de ventos na baixa
estratosfera. Impacta padrões de chuva tropical, altera misturas e
distribuição do ozônio e outros gases traço na estratosfera, e interage
com outros ciclos climáticos como ENSO.
Oscilação do Atlântico Norte (NAO) – flutuação nos padrões de
pressão, durando de meses a vários anos. Influencia os ventos alíseos,
altera trajetórias de tempestades e ciclones tropicais resultantes de
interações entre o oceano e a atmosfera, envolvendo anomalias de
TSM e ventos. Eventos ENSO impactam padrões de temperatura e
chuva regionais, contribuindo para a ocorrência de eventos extremos,
como inundações e secas, em várias regiões.


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11
Sistema climático, Parte 1

Os ciclos climáticos ocorrem em uma variedade de
escalas espaciais e temporais: Decadal.

Dez ou mais anos. Exemplos:
Oscilação Decadal do Pacífico – a cada 20-30 anos, as águas
superficiais do Pacífico a norte de 20o alternam entre “relativamente
mais frias no Pacífico ocidental e mais quentes no Pacífico oriental”.
Isto cria um padrão de “ferradura” diferente das anomalias de TSM.
Variações na PDO podem causar secas ou inundações em torno da
bacia do Pacífico e atividade de ciclones tropicais até no Atlântico.

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12
Sistema climático, Parte 1

Os ciclos climáticos ocorrem em uma variedade de escalas
espaciais e temporais: Longo-período.

Centenas a milhares de anos.
 Abrangem todo o globo, afetando tempo e clima em diferentes escalas.
Exemplos: eras glaciais, mudanças nos padrões de circulação oceânica e
condições climáticas observadas atualmente.

Número crescente de conexões entre eventos climáticos em
diferentes escalas.

Eventos El-Nino e La-Nina afetam a distribuição de chuvas globais e podem
fortalecer ou até suprimir a atividade de ciclones tropicais em monções.
 NAO modifica as temperaturas de superfície do mar e continental alterando
padrões de precipitação ao influenciar trajetórias de tempestades e ciclones
tropicais no Atlântico Norte.
 O aquecimento global pode exacerbar extremos regionais e tendências
climáticas. Exemplo – temperaturas mais quentes geram mais energia e vapor
de água na atmosfera, que podem alimentar tempestades. Evidências mostram
que precipitação severa tem se tornado mais frequentes em algumas partes do
planeta.
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13
Sistema climático, Parte 2


Comentamos sobre eventos meteorológicos e ciclos
climáticos que envolvem interações entre a atmosfera e
a hidrosfera.
Mas, existem 5 sistemas se sobrepondo e interagindo
que contribuem para o clima
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14
Sistema climático, Parte 2
Atmosfera



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Definida como a camada de ar
em torno da Terra, presa pela
gravidade.
Quando discutimos tempo e
clima, referimo-nos a duas
camadas: troposfera, que
começa na superfície e se
extende até cerca de 9 km nos
polos e 17 km sobre o
equador;
Estratosfera, que se extende
do topo da troposfera até
cerca de 51 km.
15
Sistema climático, Parte 2
Biosfera


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Sistema da vida.
Mais especificamente, é a
soma global de todos os
ecossistemas que suportam a
vida na Terra, formando um
sistema fechado e autoregulado.
16
Sistema climático, Parte 2
Hidrosfera


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Porção de água da Terra.
Inclui também água na forma
de vapor, nuvens e todas as
formas de precipitação na
atmosfera.
17
Sistema climático, Parte 2
Criosfera



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Sistema do gelo.
Água na forma congelada.
Gelo marinho, calotas polares,
etc.
18
Sistema climático, Parte 2
Litosfera


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Sistema dos continentes.
Porção sólida da Terra.
19
Variáveis Climáticas Essenciais (ECV)




A comunidade cinetífica internacional organizou o
Global Climate Observing System (GCOS) para
medir como os 5 sistemas climáticos estão
mudando e avaliar o impacto sobre o clima futuro.
Como parte do GCOS, foram identificados
conjuntos de ECVs que devem ser monitoradas
Os satélites tem um papel importante neste
esforço internacional.
As ECVs podem ser divididas em 3 esferas –
atmosférica, terrestre e oceânica.
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20
ECVs

Atmosfera

Superfície: temperatura do ar, velocidade e direção do vento, vapor de
água, pressão, e balanço radiativo de superfície
 Ar-superior: temperatura, velocidade e direção do vento, vapor de
água, propriedades de nuvens, balanço radiativo da Terra (incluindo a
irradiância solar, que é a energia recebida do sol, por comprimento de
onda)
 Composição: dióxido de carbono, metano, e outros gases do efeito
estufa, ozônio e aerossóis.
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21
ECVs

Oceano

Superfície: temperatura da superfície do mar, salinidade da superfície
do mar, nível do mar, estado do mar, gelo marinho, correntes de
superfície, cor do oceano, pressão parcial do dióxido de carbono,
acidez do oceano (pH) e fitoplâncton
Sub-superfície: temperatura, salinidade, correntes, nutrientes, pressão
parcial do dióxido de carbono, acidez, oxigênio e gases-traço

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22
ECVs

Terrestre

Descarga de rios, uso da água, água subterrânea, lagos, cobertura de
neve, glaciares e calotas polares, albedo, cobertura da terra (incluindo
cobertura vegetal), fração absorvida da radiação fotossinteticamente
ativa (FAPAR), indice de área foliar (LAI), biomassa, carbono no solo,
distúrbios por fogo e umidade do solo

http://www.wmo.int/pages/prog/gcos/index.php?na
me=ObservingSystemsandData.
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23
Sistemas de Observação
Oceano


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Uma variedade de sistemas de
observação monitoram as
ECVs.
Bóias oceânicas medem
diferentes propriedades
superficiais e sub-superficiais,
tais como a temperatura,
nutrientes, correntes,
salinidade.
24
Sistemas de Observação
Meteorologia

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Estações meteorológicas
terrestres medem
propriedades atmosféricas,
tais como temperatura,
umidade, pressão,
precipitação, velocidade e
direção do vento.
25
Sistemas de Observação
Meteorologia

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Balões meteorológicos medem
temperatura, vapor de água e
ventos a medida em que se
elevam na troposfera e
estratosfera.
26
Sistemas de Observação
Poços instrumentados

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Em altas latitudes e em
regiões de montanhas
monitoram a profundidade e
estrutura termal do permafrost
e congelamento sazonal do
solo.
27
Sistemas de Observação
Torres meteorológicas

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Sensores micrometeorológicos
medem continuamente o fluxo
de CO2 para estimar o
balanço de carbono em
diferentes ecossistemas.
28
Sistemas de Observação





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Satélites
Fornecem amostragem global,
espacialmente consistente e
contínua de várias ECVs.
Complementam as medições
obtidas com uso de outras
técnicas.
Podem ser únicas também.
Os melhores resultados são
obtidos quandos e misturam
diferentes tipos de
observações
Exemplos: umidade do ar e
temperatura, precipitação,
altura dinâmica da superfície
do mar e fitoplâncton marinho.
29
ECVs medidas por satélites

Balanço radiativo terrestre, incluindo radiação solar
 Radiação de onda longa, onda curta e visível, absorvida, emitida
ou refletida pela Terra
 Concentração de gases do efeito estufa, fontes e sumidouros
 Níveis e distribuição de ozônio
 Vegetação
 Nuvens (quantidade, altura, fase, tamanho de partículas e forma)
 Aerossóis (concentração, distribuição, tamanho de partículas,
forma, espalhamento do albedo e índice de refração)
 Cobertura de gelo e neve
 Cor do oceano
 Precipitação (frequencia, intensidade, quantidade e tipo)
 Teor de água e gelo nas nuvens
 Temperatura do ar, umidade e ventos
 Temperatura da superfície do mar e ventos em superfície
 Umidade do solo
30
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ECVs medidas por satélites

Observações por satélites são utilizadas para entender, detectar,
monitorar e prever eventos climáticos e meteorológicos. Exemplos:
 Observações da TSM e ventos são empregados para prever o
número e a intensidade de tempestades na estação de ciclones
tropicais
 Medidas de ozônio ajudam a monitorar o comportamento da QBO e
até mesmo, prever eventos de El-Nino e La-Nina
 Observações de topos frios de nuvens convectivas e anomalias de
vento na atmosfera superior ajudam os previsores do tempo a
confirmar se as MJO suportam convecção tropical ativa, determinar
se está somando ou subtraindo na atividade de ciclones tropicais, e
se está afetando as monções no Índico.
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31
ECVs medidas por satélites

Dados de satélites auxiliam a responder complexas questões sobre
o clima, mudanças e impactos na sociedade. Por exemplo:
 O estado do sistema climático global e sua variabilidade
 As causas das mudanças climáticas e a extensão das contribuições
naturais e antrópicas
 Como o clima irá mudar no futuro e como podemos prever essas
mudanças
 Se os eventos meteorológicos se tornarão mais frequentes e/ou
extremos
 Onde os impactos de eventos extremos e mudanças climáticas
ocorrerão
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32
A seguir:

Entender as várias escalas climáticas, exemplos de eventos
climáticos e seus impactos
 Entender as variáveis climáticas e meteorológicas que os satélites
são capazes de observar, e os ciclos climáticos que se pode
monitorar
 Conhecer os benefícios e desafios de se monitorar o clima por
satélite
Como os satélites medem as ECVs – apresentar satélites
ambientais e meteorológicos e como observam feições
atmosféricas comuns a muitos ciclos climáticos. Estas informações
são básicas mas fundamentais.
 Escalas de variabilidade climáticas – mostrar eventos em diferentes
escalas e as contribuições feitas por satélites para o monitoramento
e previsão
 Desafios do monitoramento do clima por satélites

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33
Revisão, Parte 1

Órbitas polar e geoestacionária
 Dois
sistemas distintos e complementares de
satélites meteorológicos e ambientais operam
conjuntamente para prover dados de Ciências da
Terra para fins de pesquisa, desenvolvimento e
operacionais (previsões do tempo, estudos
climáticos, tomada-de-decisão).
 Esses sistemas incluem satélites geoestacionários
(GEO) e de órbita baixa (LEO – low earth orbit). Os
satélites de órbita polar são um tipo LEO.
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34
Revisão, Parte 1

Órbitas polar e geoestacionária
 Dois
sistemas distintos e complementares de
satélites meteorológicos e ambientais operam
conjuntamente para prover dados de Ciências da
Terra para fins de pesquisa, desenvolvimento e
operacionais (previsões do tempo, estudos
climáticos, tomada-de-decisão).
 Esses sistemas incluem satélites geoestacionários
(GEO) e de órbita baixa (LEO – low earth orbit). Os
satélites de órbita polar são um tipo LEO.
Milton Kampel
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35
Revisão, Parte 1 (cont.):


Satélites em órbita polar voam a uma altitude de
algumas centenas de km. Isto permite a
aquisição de imagens e dados com maior
resolução espacial, úteis para a observação da
atmosfera, oceanos e continentes.
Costumam observar a mesma região sobre a
superfície da Terra 2 vezes por dia, exceto em
altas latitudes onde a repetitividade temporal é
mais alta.
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Revisão, Parte 1 (cont.):


Satélites em órbita polar voam a uma altitude de
algumas centenas de km. Isto permite a
aquisição de imagens e dados com maior
resolução espacial, úteis para a observação da
atmosfera, oceanos e continentes.
Costumam observar a mesma região sobre a
superfície da Terra 2 vezes por dia, exceto em
altas latitudes onde a repetitividade temporal é
mais alta.
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Revisão, Parte 1 (cont.):




Satélites meteorológicos e ambientais
costumam voar em órbitas heliossíncronas
(órbitas fixas em relação ao Sol, com a Terra em
rotação logo abaixo)
Isto possibilita a observação de um mesmo
ponto na superfície da Terra a cada 12 horas,
em uma mesma hora do dia ou da noite
Esta carcaterística é útil para monitoramentos
de longo período sem influência da variação
diurna.
Mas fica limitado para monitorar variações de
curto período.
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Revisão, Parte 1 (cont.):



A animação dos campos de TSM (SST) ilustra a
cobertura diária e detalhada obtida com uso do
sensor AMSR-E de microondas a bordo do
satélite Aqua da NASA
As águas em tons de amarelo e laranja
representam temperaturas quentes que
alimentam a geração de ciclones tropicais
Imagens diárias como essas ajudam no
monitoramento da evolução lenta de vórtices
oceânicos, correntes, e regiões com anomalias
positivas e negativas que podem estar
relacionadas como eventos climáticos cíclicos,
como ENSO
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Revisão, Parte 1 (cont.):



A animação dos campos de TSM (SST) ilustra a
cobertura diária e detalhada obtida com uso do
sensor AMSR-E de microondas a bordo do
satélite Aqua da NASA
As águas em tons de amarelo e laranja
representam temperaturas quentes que
alimentam a geração de ciclones tropicais
Imagens diárias como essas ajudam no
monitoramento da evolução lenta de vórtices
oceânicos, correntes, e regiões com anomalias
positivas e negativas que podem estar
relacionadas como eventos climáticos cíclicos,
como ENSO
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Revisão, Parte 2:




Satélites geoestacionários voam a uma altitude
bem mais alta que os de órbita polar, a cerca de
35.000 km de altitude
Acompanham a rotação da Terra pairando
sobre uma região fixa sobre o equador.
Desta forma, é possível observar uma mesma
região a cada 30 minutos (ou menos)
Porém, dificulta a observação de altas latitudes
(acima de 70o)
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41
Revisão, Parte 2:
Milton Kampel
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42
Revisão, Parte 2:


Os sensores de infravermelho permitem
observar a evolução dos padrões de TSM, p.ex.
Isto permite o acompanhamento de
variabilidades diurnas, diferenças dia-noite nos
padrões meteorológicos que são influenciados
pelos campos de TSM e correntes oceânicas,
tais como, ciclones tropicais e sistemas
convectivos
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43
Revisão, Parte 2:
Milton Kampel
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44
Revisão, Parte 2:


Integrando as capacidades dos satélites GEO e
LEO, pode-se melhor entender as conexões
entre o tempo e o clima.
Produtos integrados (blended), como o de TSM,
fornecem alta resolução, cobertura global e
atualizações mais frequentes.
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45
Revisão, Parte 2:


Integrando as capacidades dos satélites GEO e
LEO, pode-se melhor entender as conexões
entre o tempo e o clima.
Produtos integrados (blended), como o de TSM,
fornecem alta resolução, cobertura global e
atualizações mais frequentes.
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46
Monitoramento dos Elementos Atmosféricos

O vapor d’água, nuvens e precipitação são
importantes componentes do ciclo hidrológico e
climático em várias escalas
 Desde
padrões sazonais de precipitação e atividade
de ciclones tropicais
 Passando por padrões de tempestades afetadas por
ciclos inter-anuais e decadais
 Até tendências climáticas de longo período e balanço
de energia da Terra.
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47
Monitoramento dos Elementos Atmosféricos

O vapor d’água, nuvens e precipitação são
importantes componentes do ciclo hidrológico e
climático em várias escalas
 Desde
padrões sazonais de precipitação e atividade
de ciclones tropicais
 Passando por padrões de tempestades afetadas por
ciclos inter-anuais e decadais
 Até tendências climáticas de longo período e balanço
de energia da Terra.
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48
Monitoramento dos Elementos Atmosféricos


Dados orbitais da cobertura de nuvens e
propriedades das nuvens ajudam a melhor
entender como diferentes oscilações climáticas
impactam o desenvolvimento de nuvens e sua
ditribuição.
A cobertura de nuvens global é fator chave no
entendimento sobre futuras condições
climáticas
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Monitoramento dos Elementos Atmosféricos
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Monitoramento dos Elementos Atmosféricos
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Monitoramento dos Elementos Atmosféricos
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Monitoramento dos Elementos Atmosféricos
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Monitoramento dos Elementos Atmosféricos



Os aerossóis são importantes no estudo do sistema
climáticos por sua potencial influência no
desenvolvimento de nuvens e seu papel no balanço de
energia da Terra
Devem ser considerados em questões climáticas de
diferentes escalas, de previsões sazonais de ciclones
tropicais, chuva e temperatura, até variabilidades e
mudanças de longo-período
Dados de satélites são úteis para monitorar e ajudar a
entender como os aerossóis se distribuem pela
atmosfera, suas fontes e sumidouros e impactos sobre o
desenvolvimento de nuvens e chuva.
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Monitoramento dos Elementos Atmosféricos
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55
Obrigado pela atenção!
[email protected]
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