Balanço de Energia, vapor d'água e CO2 em areas de floresta tropicalna Amazonia Central

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Este relatório apresenta o Projeto Balanço de Energia, Vapor D´Água e

CO2 em áreas de floresta tropical na Amazônia Central (Projeto 0966/95) realizado pelo INPE e INPA, durante o período de 1996 à 1999. São apresentados os objetivos deste projeto e discutidos os principais resultados científicos alcançados.

Na última década, a Amazônia tem sido foco de atenção mundial devido à sua riqueza mineral, a sua grande biodiversidade de espécies florestais e também pelos efeitos que o desmatamento em grande escala pode provocar no clima, na hidrologia e nos ciclos biogeoquímicos em escalas regional e global.

Com relação a associação floresta-clima, o avanço da informática facilitou o desenvolvimento e a utilização de Modelos Numéricos de Circulação Geral da Atmosfera, analisando o efeito dos processos de troca de momentum, energia e vapor d´água entre a superfície e a atmosfera. Como exercício da problemática do desmatamento, vários estudos de simulação numérica do clima em situações de floresta e desmatamento (troca de superfícies vegetadas de floresta tropical por áreas de pastagens) já foram realizados, entre os quais pode-se citar o trabalho de Nobre et al. (1991). De modo geral, os resultados obtidos por vários autores convergem de que ocorrerá um aumento da temperatura do ar próximo à superfície (variando de 0,6 à 2,0 °C), uma redução nos totais de precipitação e evaporação (de 20 a 30% do valor do cenário de floresta) e uma estação seca mais prolongada. Estas modificações, se confirmadas pela realidade, certamente acarretarão implicações ecológicas importantes. Outro aspecto importante nesta problemática de mudanças climáticas globais é o papel que o gás dióxido de carbono (CO2) desempenha no balanço de energia do sistema biosfera-atmosfera. Devido a sua grande extensão, as flores- tas tropicais úmidas são importantes no ciclo global do carbono, por conterem aproximadamente 40% do C estocado na biomassa terrestre. (Philips et al., 1998). Medidas recentes (Grace et al., 1996, Malhi et al., 1998, Phillips et al., 1998) sugerem que a floresta Amazônica seja um sorvedouro de CO2 da atmosfera e que o desmatamento que está ocorrendo libera uma quantidade grande de car- bono para a atmosfera, da ordem de 1,6 tonC.ha-1.ano-1 (IPCC, 1996). Ainda não

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Balanço de energia, vapor dágua e COem áreas de floresta tropical na Amazônia Central se conhece bem os limites de estocagem de biomassa em florestas tropicais úmidas, a partir do qual se estabelece um equilíbrio dinâmico, onde os ganhos igualam-se as perdas. Portanto, para conhecermos a associação entre a dinâmica do crescimento deste ecossistema e os limites de estocagem, há a necessidade de monitoramento contínuo de longo prazo das trocas de carbono entre o ecossistema e o meio. A atmosfera representa a maior fronteira destas trocas.

Um outro processo fundamental nos estudos sobre os intercâmbios de energia é o estabelecimento do regime de radiação dentro do interior do dossel. O comportamento do perfil de radiação desde a superfície até o topo do dossel interage com a atmosfera e configura os padrões dos perfis de temperatura, umidade específica, ventos e também da concentração de CO2. Estes, por sua vez, modificam e caracterizam os fluxos entre a vegetação e a atmosfera.

Este Projeto foi idealizado para coletar dados que permitam obter um conhecimento detalhado dos processos físicos da interação biosfera-atmosfera. Neste sentido, os objetivos foram divididos em: a) medidas de longo prazo de fluxos de energia, vapor dágua e CO2 em áreas de floresta tropical; b) medidas de concentração de CO2 na camada limite e c) medidas de penetração de luz solar no interior da floresta tropical. Este trabalho abordará os principais resul- tados científicos encontrados pelos segmentos acima mencionado.

2.SÍTIO EXPERIMENTAL, DADOS E MÉTODOS

As medidas experimentais ocorreram em duas reservas florestais do INPA, a saber: Reserva Floresta Adolfo Ducke (medidas de penetração de luz solar) e Reserva Biológica do Rio Cueiras (medidas de fluxos de energia, vapor d´água e

CO2 e estrutura da camada limite noturna), sendo também conhecida como Reserva ZF-2. Estas duas áreas possuem vegetação tropical não pertubada, com árvores de aproximadamente 35 m de altura e cujas espécimes mais emergentes chegam a atingir 40 m, biomassa seca entre 300-350 t.ha-1 e índice de área foliar entre 5 e 6. A Reserva Ducke dista aproximadamente 25 km de Manaus e a Reserva ZF-2 dista aproximadamente 70 km. O clima é caracterizado por temperaturas e umidades elevadas: a temperatura média anual é de 26,7 °C, sendo os meses de setembro e outubro os mais quentes (temperatura máximas ao redor de 3 °C). A umidade relativa apresenta índices médios mensais acima dos 80%. A normal climatológica (1965/1994) apresenta duas estações anuais, sendo um período seco (junho à novembro) com precipitação mínima de 93 m (julho) e um período chuvoso (dezembro à maio), sendo que o total mensal máximo é de 300 m (fevereiro).

Para monitorar as trocas dos fluxos de energia, vapor dágua e CO2 entre um ecossistema e a atmosfera, é necessário medir-se os principais fluxos de entrada e saída dos gases no sistema. Devido a enorme heterogeneidade e com- plexidade espacial, tanto nos sumidouros (folhas) quanto nas fontes de CO2 (demais tecidos e organismos), generalizações baseada em medidas diretas dos componentes de fluxo apresentam grandes desafios. Como todos compartimen- tos emitem e retiram CO2 da atmosfera, e como o ar próximo destas fontes e

Balanço de energia, vapor dágua e COem áreas de floresta tropical na Amazônia Central sumidouros está em movimento turbulento, a componente vertical deste ar leva de e para a atmosfera acima concentrações de CO2 que refletem sua origem e o somatório de trocas a que foi exposto. Assim, as trocas de ar entre o dossel da floresta e a atmosfera livre acima totalizam as trocas na sua área de influência. Nos últimos dez anos foi desenvolvido um sistema de equipamentos micrometeorológicos para mensurar as trocas totais de CO2 na interface do ecossistema com a atmosfera livre, utilizando sensores tridimensionais de vento e analisadores de CO2 de resposta rápida, instalados vários metros acima do dossel superior da floresta. Esta técnica (correlação de vórtices turbulentos ou

“eddyflux correlation”) viabilizou medições contínuas e representativas de grandes superfícies. A medidas de fluxos foram realizadas no topo de uma torre micrometeorológica de 46 m de altura (ZF-2 Km 14), durante o período de setembro de 1995 até julho de 1998. As medidas de superfície (acima e dentro do dossel da vegetação) foram realizadas nesta torre e consistiu de medidas de fluxos de calor sensível, latente, momentum e CO2. Os equipamentos utilizados para as medidas de fluxos de CO2 foram um anemômetro sônico 3D Solent Gill (Lymington, Reino Unido) e um analisador de gás infra-vermelho Li-Cor 6262

(Lincoln, US), sendo que os fluxos foram calculados pela técnica de correlação de vórtices. O software utilizado para amostrar o ar e calcular os fluxos foram desenvolvidos pela Universidade de Edinburgh. Uma descrição detalhada do software e do controle de qualidade dos dados encontra-se em Malhi et al. (1998). Dentro do dossel, foram realizadas medidas de perfis de temperatura, umidade específica e de concentração de CO2 nas alturas de 1,0, 9,0, 17,4, 25,3, 3,3 m. A partir de julho de 1999, foi instalado uma nova torre micrometeorológica na

Reserva ZF-2 (Km 32), aumentando a representatividade espacial das medidas. A Figura 1 mostra uma representação esquemática das medidas e uma imagem da torre micrometeorológica (ZF-2 Km 14).

Figura 1: Representação esquemática das medidas realizadas na Reserva Biológica do Rio Cueiras.

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As medidas realizadas com o balão cativo (zeppelin com volume de 5,25 m3) foram efetuadas durante o período de 16 a 26 de novembro de 1995. Os dados compreenderam um conjunto de perfis da concentração de CO2 obtidas com o levantamento de um tubo especial de plástico. O ar em alturas pré-deter- minadas (a cada 50 m desde a superfície até 300 m –máxima extensão do tubo plástico) era trazido para a superfície por uma bomba de sucção e medido a concentração de CO2 com um analisador de gás infra-vermelho CIRAS 1 (Hitchin, Reino Unido). Estas medidas foram realizadas desde o por-do-sol (aproxima- damente às 18 Hora Local – HL) e durante toda à noite, em intervalos de içamen- tos a cada 1,5 horas. Simultaneamente à estas medidas de CO2, medidas de temperatura do ar, pressão atmosférica, umidade específica e ventos foram rea- lizadas com a sonda meteorológica A.I.R. (Boulder, EUA). Estes dados foram transmitidos por telemetria (frequência de 403,5 MHz) e recebido por um receptor ADAS- A.I.R. (Boulder, EUA). As medidas do balão cativo ficaram a cargo da cooperação INPE e Institute of Hydrology (Projeto MACOE- Manaus Atmospheric

CO2 Experiment - Culf et al., 1998) e as medidas de fluxos e de concentração de temperatura, umidade e CO2 dentro do dossel foram realizadas conjuntamente entre o INPA e a University of Edimburgh (Projeto JACAREX - Joint Amazonian

Carbon Experiment-JACAREX - Malhi et al., 1998).

Para as medidas de penetração de luz solar (espectro de 0,3 a 3,0 m) dentro do dossel, foram utilizados 8 tubos solarímetros (Delta-T device,

Figura 2: Representação esquemática do reticulado utilizado para as medidas de radiação solar.

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Cambrigde, Reino Unido) colocados em uma vertical, sendo que os sensores mais próximos à superfície (alturas de 2 e 5 m) eram fixos e os restantes (6 sensores) em alturas variáveis em função do tamanho das árvores em que o reticulado foi suspenso (Figura 2). Acima da vegetação, no topo de uma torre micrometeorológica instalada na Reserva Ducke, mediu-se o fluxo de radiação solar incidente através de piranômetro (CM-5 Kipp & Zonen, Delft, Netherlands). As medidas foram integradas por períodos de 20 min, sendo os dados coletados e armazenados por um sistema de aquisição de dados (21 X Campbell Scientific Inc, Inglaterra) com taxa de amostragem de 1 observação por minuto. O período de medidas de radiação solar estendeu-se de 29 de outubro à 1 de dezembro de 1998, no período de transição do final da estação seca e início do período chuvoso. Durante este período foram realizadas 3 verticais, o que implica em uma amostragem horizontal de 3 pontos.

a)medidas de longo prazo (líder: Antonio Donato Nobre)

As medidas realizadas na torre da ZF-2 Km 14 em Manaus formam a série temporal de dados de fluxo de CO2 mais longa existente para floresta tropical e representam uma enorme contribuição científica do Projeto JACAREX. O primei- ro ano de resultados indica um sumidouro de carbono de 5,9 t C ha-1 (Figura 3), significativamente maior que o medido para áreas de floresta tropical em Rondônia (Grace et al., 1996) e para a Reserva Ducke (Fan et al., 1990). Ressaltase que estas medidas de Grace et al. (1996) e de Fan et al. (1990) foram obtidas em um pequeno intervalo de tempo (da ordem de 50-60 dias) e extrapolado para o ano inteiro, diferentemente dos dados obtidos por este estudo: medidas contínuas durante um ciclo sazonal completo. Mesmo assim, esta assimilação de carbono é alto e controverso pois se for contínuo significaria dobrar a biomassa da floresta a cada 100 anos, algo difícil de se imaginar para um sistema com estoque de biomassa já tão alto. Um artigo recente compilando resultados de variados estudos de blocos florestais em toda a Amazônia (Phillips et al., 1998) demonstrou que há considerável variabilidade no balanço líquido de carbono para estas florestas, dependendo da história de perturbação silvigenética. Nesta linha, é reconhecido o fenômeno de mortalidade de árvores decorrente de seca prolongada em anos de “El Niño”, assim como a destruição catastrófica localizada de árvores por tormentas de vento (“blow downs”). No longo prazo a floresta poderia então estar “recuperando” biomassa, não necessariamente ganhando-a. Contudo, ainda existe a possibilidade real de haver uma resposta deste ecossistema a mudanças globais, como a fertilização por CO2 e outros nutrientes associados a poluição antropogênica, assim como uma modificação pelo regime de chuvas. Com relação às novas medidas efetuadas na nova torre (ZF-2 Km 32), os primeiros meses de resultados indica um sumidouro de carbono de quase 9 ton C ha-1 ano-1. Este valor é quase o dobro do medido para o primeiro ano da torre ZF2-Km14, sendo o que mais surpreende, é ocorrer duran-

Balanço de energia, vapor dágua e COem áreas de floresta tropical na Amazônia Central te a estação seca. Medições na torre da ZF-2 Km 14 (Malhi et al., 1998), corroboradas em exercícios de modelagem (Williams et al., 1998), indicaram uma proeminente maior fixação líquida de C no ecossistema ZF2-Km14 durante a estação úmida do que durante a estação seca. Aparentemente a abundância de radiação disponível para fotossíntese na estação seca não pode ser aproveitada na fixação extra de carbono, devido a déficit de água no sistema solo-planta-atmosfera (fechamento de estômatos). Reside neste fato, talvez, a explicação para o imenso sumidouro que estamos medindo nestes meses. O ano de 1999 é um ano típico de evento “La Nina”, com acentuada anomalia de precipitação em Manaus. Esta estação seca continua com radiação abundante nas manhãs e princípios de tarde mas, diferentemente dos anos normais, apresenta chuvas frequentes nos finais de tarde. Assim, parece que o sistema estaria fixando carbono em condições ótimas (abundância de água e radiação). Um valor tão alto de fixação, entretanto, suscita dúvidas sobre possíveis erros de medição. Devido a efeitos topográficos, pode estar havendo uma fuga noturna de CO2 com uma possível drenagem de ar frio para os vales, o que estaria inflando o sumidouro (entradas bem medidas durante o dia, com perdas mal medidas durante a noite). Para verificar o armazenamento de carbono durante à noite, o sistema monitora as concentrações de CO2 em seis alturas na torre, que permitem representar o perfil vertical com os gradientes de concentração. Através do armazenamento é possível calcular quanto CO2 deixou o sistema, e corrigir os fluxos medidos. (Malhi et al., 1998).

Figura 3: Assimilação de carbono pela floresta tropical (Projeto JACAREX/PPD-G7)

O CO2 produzido nos solos de florestas tropicais úmidas pela respiração de raízes, microrganismos, fauna do solo e pela oxidação química dos compos- tos de carbono pode representar mais de 80% de todo CO2 emitido pelo ecossistema (Meir et al., 1996). A taxa de transferência do CO2 é controlada a) pela sua taxa de produção no solo; b) pelos gradientes de temperatura; c) por sua concentração na interface solo-atmosfera; d) pelas propriedades físicas do solo; e e) pelas flutuações da pressão atmosférica do ambiente (Sotta, 1998). Utilizando câmaras dinâmicas de fluxo aberto para a atmosfera e um analisador de infravermelho para CO2 foram feitas medidas em 20 pontos amostrais distribuídos aleatoriamente dentro de um bloco, com uma replicata para cada ponto

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(para a descrição detalhada do local de estudo e a metodologia empregada ver Sotta, 1998). As medidas de efluxo para avaliação da variação temporal foram conduzidas na estação seca (período de junho-julho de 1997), em três fases, cada uma com cinco dias de duração. O maior valor de efluxo foi de 12,95 µmol

CO2 m-2 s-1 e o menor foi 4,04 µmol CO2 m-2 s-1, e a média de todas as medidas espaciais foi 6,86 ± 1,78 µmol CO2 m-2 s-1. Embora a temperatura e a umidade do solo sejam frequentemente fatores dominantes no controle do efluxo de CO2 do solo, estas são variáveis mais temporais que espaciais em ecossistemas relativa- mente uniformes. Portanto, a variação espacial do efluxo de CO2 do solo deve seguir os padrões de distribuição das raízes e dos microorganismos na liteira, nas camadas orgânicas e no solo mineral. A caracterização da distribuição espacial da biomassa na vegetação pode consequentemente ser uma forma indireta de estimar a variação espacial do efluxo de CO2 do solo (Sotta, 1998). Para todas as medidas, os resultados indicaram que quando não há chuva os picos de emissão de CO2 ocorrem entre 13 e 14 HL. A variação do efluxo em 24 horas foi, em média, 1,1 µmol CO2 m-2 s-1, mas com o solo seco a variação caiu para 0,5 µmol CO2 m-2 s-1.

b)dinâmica e estrutura da camada limite estável (noturna) (líder: Gilberto Fisch)

Na realização do MACOE, foram coletados dados durante 10 noites seguidas (de 16 a 25/1/1995) que, após testes de consistência e controle de qualidade, produziram 49 perfis. Embora a altura máxima atingível pelo balão cativo fosse de 300 m (devido a limitação do tubo flexível), somente em algumas poucas situações (aproximadamente 15 casos) é que esta altura foi atingida. Um dos motivos foi a ocorrência de ventos fortes (acima de 7,0 m.s-1), o que impedia as atividades com o balão cativo. Ventos acima deste valor provocam uma forte tensão no cabo do balão, com risco de rompê-lo. Os dados dos perfis foram interpolados linearmente na vertical em intervalos de 25 m. A medida da con- centração de CO2 na altura de 350 m (356,8 ppm) foi calculada como sendo a concentração da atmosfera livre, uma vez que esta altura representa o máximo desenvolvimento vertical da camada limite noturna em regiões de floresta tropical (Fisch & Nobre, 1997). Um perfil composto de todos os içamentos é apresentado na Figura 5 e mostra claramente a evolução temporal da concentração de

CO2: às 18:0 HL o perfil está bem misturado devido as condições convectivas do período da tarde, com um valor aproximadamente constante com a altura de

360 ppm. Com o decorrer da noite, ocorre um aumento da concentração de CO2, especialmente nas camadas mais baixas e próximas ao solo. Às 21 HL, o perfil de CO2 é de 375 ppm em 50 m, aumentando este valor para 389 ppm às 24 HL, 409 ppm às 3:0 HL e 420 ppm às 5:30 HL. Esta evolução temporal durante à noite mostra uma variação de 60 ppm em 50 m, decrescendo este valor para 36 ppm em 100 m e apenas 28 ppm em 150 m. Esta pequena variação, principalmente entre 100 e 150 m, é provavelmente associada com o aumento da velocida- de do vento durante à noite. O conjunto de dados de fluxo e concentração de CO2 mostra um aumento da concentração de CO2 após o nascer-do-sol, devido a

Balanço de energia, vapor dágua e COem áreas de floresta tropical na Amazônia Central quebra da estabilidade térmica no nível do dossel e também pelo início da turbu- lência gerada pela insolação solar. O ar rico em CO2 preso no interior da floresta é liberado para a atmosfera, pela ação da turbulência. Na média deste período, a concentração de CO2 dentro do dossel atingiu valores máximos no nível mais baixo (1m) com 409,8 ppm, decrescendo progressivamente até atingir a mais baixa concentração no nível de 46,5m (387,1 ppm). O ciclo diário médio da concentração de CO2 para cada nível é mostrado na Figura 4, apresentando um máximo característico no início da manhã oscilando entre 6 e 8 HL de acordo com os níveis onde, em geral, observa-se maior taxa de turbulência dinâmica associada. Entretanto, na média a floresta age como um sorvedouro de CO2 atmosférico entre 8 e 18 HL em todos os níveis e atua como emissor no restante do dia. (Ferreira da Costa et al., 1999).

Figura 4 – Ciclo Diário da Concentração de CO nos níveis a) 1,0 (N1); b) 9,0 (N2); c) 17,4 (N3); d) 25,3 metros (N4); e) 3,3 (N5) e f) 46,5 (N6) metros.

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b-1) Balanço de CO2 dentro da camada limite

O balanço de CO2 foi realizado com dados oriundos dos perfis de concen- tração de CO2 medidos pelo balão cativo e com as medidas realizadas no topo da torre. A idéia básica deste cálculo é o de que ocorre um forte acoplamento entre a vegetação e a atmosfera e que se não houver perdas laterais (advecção) deste

CO2, a variação temporal (armazenamento) deve ser a resposta das modifica- ções dos fluxos de superfície. O armazenamento (Sco2) da concentração de CO2 na camada limite foi calculada como:

S COt dzco h 2

(mmol.m-2.s-1)

onde a altura (h) foi escolhida como 350 m. A variação temporal de CO2

tos integrados durante todo o período noturno. Existe um bom ajuste em 3 noites (17, 18 e 23/1) e uma forte discrepância em 3 outras noites (16, 19 e 2/1). Para classificar as noites bem e mal correlacionadas em função da estabilidade atmosférica, o comprimento de Monin-Obhukov (L) foi calculado e para pequenos valores de 1/L (que representa estabilidade fraca), ocorre uma boa correlação entre o fluxo de CO2 que saem do dossel e o armazenamento na camada limite.

Figura 5: Perfil composto da variação temporal da concentração de CO2 dentro da camada limite (Projeto MACOE/PPD-G7).

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Nestas noites ( 17, 18 e 23/1) ocorre ventos fortes, os quais misturam em toda camada limite noturna o ar rico em CO2 proveniente da vegetação. Ainda nestas noites o fluxo de calor sensível é mais alto do que o normal, indicando um resfriamente da superfície menor. Ocorre também nebulosidade. Nas noites em que não há o balanceamento do CO2 (16, 19 e 2/1), a estabilidade é muito forte (tipicamente entre 0,5 – 1,0 m-1), desacoplando o ar do interior do dossel e acima dele.

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