Análise da variabilidade das concentrações e da distribuição de massa de carbono negro refratário em um testemunho de neve e firn coletado no Monte Johns, Antártica ocidental, e sua interpretação ambiental

Abstract

O carbono negro (ou black carbon - BC) é um particulado emitido pela queima de combustíveis fósseis e biomassa e com um importante papel no sistema climático, capaz de alterar significativamente o albedo planetário. O BC escurece a neve ao se depositar nela, reduzindo a refletância da mesma e derretendo-a ao absorver radiação solar. Neste trabalho é apresentado um registro das concentrações de carbono negro refratário (rBC) de um testemunho de neve e firn de 20 metros de profundidade, coletado na geleira Pine Island, Antártica Ocidental (79°55'34.6"S, 94°21'13.3"W) durante o verão austral de 2014/2015. Nosso objetivo foi analisar a variabilidade de rBC do testemunho buscando-se relações com as emissões do particulado, historicamente relacionadas à queima de biomassa (queimadas) do Hemisfério Sul. O testemunho foi analisado utilizando-se o fotômetro SP2 (Single Particle Soot Photometer, Droplet Measurement Technologies) acoplado a um nebulizador CETAC Marin-5 na Central Washington University, WA, EUA. O testemunho cobre 47 anos de precipitação de neve, e a datação foi baseada na variabilidade do rBC, sódio (Na), enxofre (S), estrôncio (Sr) e da razão de enxofre não marinho sobre sódio (nssS/Na). Apesar da baixa concentração de rBC detectada no testemunho (menor do que 0,4 μg L-1), observa-se uma variabilidade sazonal bem definida, com valores mais elevados atribuídos à época seca (julho a dezembro), relacionados à maior área de queimadas no Hemisfério Sul; menores valores foram atribuídos à época chuvosa (janeiro a junho). A média (geométrica) das concentrações de rBC na estação seca é de 0,057 μg L-1, já na estação chuvosa é de 0,015 μg L-1. A média (geométrica) das concentrações anuais de BC (0,03 μg L- 1) é a menor já observada no continente antártico, e a média (geométrica) dos fluxos anuais (6,25 μg m-² a-1) é a menor para a Antártica Ocidental. Não foram observadas tendências de aumento ou declínio das concentrações de rBC ao longo dos 47 anos. Simulações realizadas no modelo SNICAR (SNow, ICe, and Aerosol Radiation model) indicam que as concentrações de rBC no testemunho não afetam significativamente o albedo no sítio de amostragem (redução de 0,48% no albedo em relação à neve pura). A análise espectral (método REDFIT) do rBC do testemunho, de inventários de emissão (GFED4s) e de focos de queimadas no Hemisfério Sul (Programa Queimadas e Firespots Australia) sugerem a Austrália e Nova Zelândia e, secundariamente, a América do Sul, como prováveis áreas fonte para o rBC depositado no sítio de amostragem. Simulações de transporte de partículas entre 1968 e 2015, utilizando o modelo HYSPLIT, corroboram estas observações. Ainda, a análise espectral identificou ciclos em comum entre a Oscilação Antártica e o rBC, bem como entre o ENOS e o rBC. A análise da distribuição de tamanho de rBC no testemunho mostra uma grande quantidade de partículas com diâmetro de partícula (DBC) < 100 nm (45,4% da contagem total), porém representando apenas 7,4% da massa total de rBC detectado. Partículas com DBC > 500 nm são extremamente raras (0,25% do número total de partículas), porém representam 36,4% da massa total de rBC do testemunho.

Black carbon (BC) is a carbonaceous particle formed during the incomplete combustion of fossil fuels and biomass, and plays an important role in the climatic system due to its effect in the planetary albedo. When deposited on the cryosphere, BC reduces reflectance of snow and ice, increasing solar radiation absorption and causing melt. In this work we present a record of refractory black carbon (rBC) concentrations from a 20-meters-long snow and firn core collected in West Antarctica, in the Pine Island Glacier (79°55'34.6"S, 94°21'13.3"W) in the 2014/2015 austral summer. We analyzed the snow and firn core rBC variability looking for relationships with BC emissions in the Southern Hemisphere, historically related to biomass burning. The snow and firn core was analyzed in Central Washington University, WA, USA, using a Single Particle Soot Photometer (SP2, Droplet Measurement Technologies) coupled to a CETAC Marin-5 nebulizer. The core was dated to 47 years, using BC, sodium (Na), sulfur (S), strontium (Sr) and the ratio of non-sea-salt sulfur over sodium (nssS/Na) as dating parameters. The core show dry season rBC geometric mean concentrations of 0.057 μg L- 1, and wet season rBC geometric mean concentrations of 0.015 μg L-1, nearly one quarter the dry season concentrations. The core’s annual rBC geometric mean concentration was 0.03 μg L-1, the lowest rBC annual average observed for Antarctica, and the rBC fluxes are the lowest fluxes measured in West Antarctica (6.25 μg m-² a-1). We did not observe long term trends in rBC concentrations along the 47 years record. Snow albedo changes at the site due to rBC were simulated using the SNICAR (Snow, Ice, and Aerosol Radiation) - online model, and found to be very low comparing to clean snow (-0.48%). Spectral analysis (REDFIT method) of the BC record, BC emission inventories (GFED4s model) and fire spots monitoring systems (Programa Queimadas and Firespots Australia) suggest Australia and New Zealand as the most probable rBC source areas for the drilling site, followed by South America. HYSPLIT trajectory modelling from 1968 to 2015 supports these findings. The spectral analysis also points to common cycles for the Antarctic Oscillation (AAO) and rBC as well as ENSO and rBC. Mass size distributions of rBC particles show a significant contribution of small particles (DBC < 100 nm) to total rBC number concentration (45.4% of particles in the 80 nm–2000 nm range), but representing only 7.4% of total mass. Particles with DBC > 500 nm, on the other hand, are very rare (0.25% of total particles in the 80 nm–2000 nm range), but represent 36.4% of total rBC mass.