RELATÓRIO DE ATIVIDADES DA MISSÃO CRIOSFERA (Dez 2011 – Jan 2012)
Os micro-organismos estão presentes em toda a biosfera, sofrendo ações deletérias, ou sobrevivendo em diferentes condições de viabilidade. A baixa atmosfera constitui-se não só um meio de transporte entre regiões do planeta mas um verdadeiro habitat de sobrevivência, tornando isto um alvo da pesquisa aerobiológica. De um modo geral, os bioaerossóis, ou seja, material de origem ou de significância biológica em suspensão na atmosfera, tem tido importante relevância nos estudos de proliferação de patôgenos, entre outros usos. Bactérias e fungos encontrados em regiões remotas do planeta como a Antártica, ou áreas de difícil acessibilidade (ex.: vulcões ativos e mar abissal), tem despertado grande interesse científico, devido ao seu potencial uso biotecnológico, pois possuem características metabólicas peculiares, grau de resistência e adaptabilidade difíceis de serem simulados em laboratório e por isso são classificados como extremófilos ou seres criptobiontes. O continente antártico, por seu aparente “isolamento continental” e grande altitude média, apresenta características únicas para o estudo da vida microbiana, pois apresenta alta exposição ao UV-B durante a primavera, solos congelados (“permafrost”), grande dinâmica atmosférica e alto gradiente térmico anual. O depósito glacial da Antártica, que teve origem há cerca de 35 milhões de anos, constitui um reservatório de alto grau de preservação dos depósitos atmosféricos, onde material particulado biótico e abiótico e compostos gasosos precipitam-se e são aprisionados ao longo dos séculos. presença de bactérias/fungos no gelo ou neve, inviáveis ou viáveis, capazes de se dividir, reflete tanto o endemismo como a presença de organismos exógenos em relação a região polar, pois bactérias existem por todo o planeta, em virtude dos processos de convecção térmica e advecção das massas de ar.
Equipe Atmosfera-Gelo (Uerj-INPE)
Participantes :
Pesq. Heitor Evangelista – Uerj
Pesq. Alexandre Alencar – Uerj
Pesq. Marcelo Sampaio – INPE
Pesq. Heber Reis Passos – INPE
Objetivos da Missão:
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Instalação e operação do módulo de pesquisa avançado Criosfera 1, visando o monitoramento atmosférico na latitude 84oS para fins de química atmosférica, análise meteorológica regional e modelagem de transporte;
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Amostrar um testemunho de 40m de gelo visando estudos da circulação atmosférica em altas latitudes, em alta resolução temporal;
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Caracterizar as concentrações de compostos orgânicos voláteis em altas latitudes;
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Monitorar, também em alta resolução temporal, a deposição de neve na localidade do Módulo Criosfera 1, visando comparação com dados satelitais que empregam altímetros.
Diretrizes Gerais:
O Criosfera 1 é o resultado de 30 anos de pesquisa e aprendizado dentro do Programa Antártico Brasileiro/CNPq e fruto de uma iniciativa única do Ministério de Ciência, Tecnologia e inovação. O Criosfera 1 é o primeiro módulo de pesquisa do Brasil a operar de forma autônoma e remota no interior do continente Antártico. Sua concepção estrutural é o estado da arte dos módulos de pesquisa polar. O módulo é dotado de sistemas eólico e solar que permitem mantê-lo em funcionamento ininterruptamente durante verões e invernos. Durante a missão Criosfera (2011/2012), o módulo abrigará experimentos voltados para o estudo da atmosfera antártica e sua relação com o manto de gelo. Serão monitorados aerossóis de origem terrígena, antropogênica, cósmica e biogênica (ex: Al, Ca, Ti, Si, Fe, S, Mg, Mn, As, K, U, Pb, Cd, Cu, Zn, Sr, Cr, V, Na, Rb, 7Be, 22Na), íons marinhos entre os quais Cl-, Na+, Mg2+, SO2-4, Ca2+, K+, H+, NH+4, NO-3 e Br-; diversos compostos orgânicos voláteis e a concentração de CO2. O Criosfera 1 é dotado de uma estação meteorológica onde será monitorada a temperatura do ar, a pressão atmosférica, a umidade relativa, intensidade e direção do vento e a radiação solar global. Um sistema ultrasônico, instalado no exterior do módulo, medirá em tempo real a dinâmica de deposição de neve na região. Todos os dados meteorológicos, as concentrações de CO2, a deposição de neve e os dados do desempenho de energia do módulo serão enviados via satélite para o Brasil em tempo quase-real. Estes dados reunidos e interpretados a luz dos modelos computacionais de transporte atmosférico permitirão aumentar nossa compreensão sobre a relação climática Antártica-América do Sul, o impacto da redução da camada de ozônio, da atividade vulcânica no Hemisfério Sul, a evolução dos processos globais de desertificação, o transporte atmosférico global de poluentes e microorganismos e aprofundar nosso conhecimento sobre a história climática contada pelos testemunhos de gelo. Nos próximos anos, espera-se que o Criosfera 1 se estabeleça como uma plataforma de pesquisa multi-usuária com grande potencial para estudos voltados para a biotecnologia, a física e química da alta atmosfera e a astrofísica de altas energias.
Etapas da missão Criosfera:
1. Transporte do módulo até a latitude 84oS: Após a chegada do módulo Criosfera 1 em Union Glacier, latitude 79oS, o mesmo foi colocado sobre um esqui fixo e acoplado a um comboio em direção ao seu posicionamento final. O Eng. Marcelo Sampaio e o Técnico Heber Reis Passos do INPE acompanharam o comboio junto com 2 mecânicos da empresa ALE (Antarctic Logistics and Expeditions).
Figura 1 – Comboio para o transporte do Criosfera 1 até seu destino final na latitude 84oS.
2. Instalação do módulo na latitude 84oS: A chegada do Criosfera 1 na latitude 84oS foi praticamente simultânea a chegada de toda a equipe da missão Criosfera. Na ocasião justaram-se aos membros do comboio, os pesquisadores Heitor Evangelista e Alexandre Alencar da Uerj. Inicialmente, com a ajuda de um trator da ALE, o módulo foi alinhado ficando perpendicular ao eixo Norte-Sul, visando à maximização do uso de energia solar para a região. Em seguida, foram instalados os suportes de sustentação provisórios e o esqui pode ser destacado do Criosfera 1. A sustentação provisória foi, então, erguida até que os suportes definitivos fossem instalados e a sustentação provisória desativada. Toda esta operação foi realizada pela equipe Criosfera.
Figura 2 – Etapas da instalação definitiva do Criosfera 1 na latitude 84oS.
3. Instalação dos painéis solares: Quatro painéis solares, modelo SW 175 (24 Volts) da SolarWorld, foram instalados na face Norte do módulo. Na atual configuração de instrumentação científica do Criosfera 1, os painéis solares, individualmente, geram energia suficiente para todos os sensores meteorológicos, o sensor de CO2, o sistema de aerossóis, o transmissor de dados por satélite e os sistemas de controle de amostragem. Cada painel solar gera 175 watts para uma exposição de radiação solar global de 1000 watts/m2 e temperatura de 25oC. Sensores de temperatura foram instalados sobre os 4 painéis solares. Foram instalados ainda sistemas de medida de corrente individuais para os painéis. Estas informações, junto aos dados de radiação solar e temperatura ambiente irão ratificar os modelos de eficiência dos painéis solares instalados e conseqüentemente será obtido o potencial de geração de energia solar local.
Figura 3 – Instalação dos painéis solares no Criosfera 1.
4. Instalação dos suportes das turbinas eólicas e da torre meteorológica: No teto do módulo foram instaladas uma torre meteorológica (sobre a parede frontal) e 4 hastes verticais (nos cantos). O objetivo destas estruturas é abrigar os sensores de meteorologia de monitoração contínua, o sistema de entrada de ar e ainda as 4 turbinas eólicas.
Figura 4 – Instalação de torre meteorológica e hastes de sustentação de turbinas eólicas.
5. Instalação das turbinas eólicas: Quatro turbinas eólicas, modelo AirBreeze (24 Volts) da Southwest Windpower, foram instaladas sobre o módulo Criosfera 1. Seu objetivo é atender a demanda de energia do módulo, principalmente, no período de inverno quando há ausência prolongada de luz solar naquela latitude e a necessidade de continuidade das amostragens. Cada turbina eólica produz cerca de 160 watts na presença de ventos na ordem de 12,5 m/s. A partir de 5 m/s, o gerador eólico é capaz de gerar aproximadamente 50 watts de potência. Foram instalados sistemas de monitoração contínua para a corrente de três das turbinas. Novamente aqui, o acompanhamento da velocidade do vento e também da corrente das turbinas irá fornecer o potencial de geração de energia elétrica pelo vento para esta localidade, além de ratificar a eficiência e correto funcionamento das turbinas.
Figura 5 – Instalação de 4 turbinas eólicas sobre o Criosfera 1.
6. Instalação do conjunto de baterias e do controlador de carga e comutação entre energia solar e eólica.
O sistema instalado contou com dois conjuntos Mil-Series Power Pak 1000 e quatro conjuntos Mil-Series Expander Pak 1000 ambos de 24 Volts DC (corrente contínua) e fabricados pela SolarStik, sendo que toda a energia utilizada durante a instalação dos sistemas (computadores, ferros de solda, furadeiras, etc.) foi obtida também deste sistema. Um sistema inversor P.R.O. VERTER APM 2300 MS ENVIRO de 1500 Watts também fabricado pela SolarStik foi utilizado para geração de 110 Volts AC (corrente alternada). Todos equipamentos instalados para coleta de dados utilizam corrente contínua para seu funcionamento, deste modo, o inversor PRO Verter foi desligado ao final dos trabalhos de instalação. A figura 6 apresenta o diagrama de interligação dos sistemas de energia. O conjunto de baterias é capaz de fornecer aproximadamente 8000 Watts (24 volts, 320 Ampéres/hora) quando completamente carregado. Este valor pode manter os sistemas em funcionamento por até 4 dias sem luz solar ou vento. Caso este tempo exceda e as bateriam precisem ser desacopladas por carga baixa os sistemas essenciais (sensores de meteorologia e transmissor para o satélite) são mantidos por uma bateria extra. Todo o sistema volta a funcionar automaticamente caso as baterias voltem a ser carregadas.
Figura 6 – Diagrama de interligação do sistema de geração de energia do módulo CRIOSFERA_1.
Figura 7 – Instalação do sistema de baterias do Criosfera 1, bancadas e “rack” de instrumentação científica.
7. Instalação de sensores meteorológicos: foram instalados sensores de velocidade e direção do vento (neste caso 2 sensores diferentes, um convencional e outro sônico), pressão atmosférica, umidade relativa, temperatura do ar (2 sensores) e uma antena de transmissão de dados por satélite (sistema Argos).
Figura 8 – Instalação definitiva dos sensores meteorológicos sobre a torre meteorológica no Criosfera 1. A imagem da direita apresenta os dois sensores de vento, o sônico à esquerda e o convencional à direita.
8. Instalação do sensor de CO2: Foi instalado e testado um sensor de CO2, fabricado pela Vaisala – modelo “Carbon Dioxide Probe GMP343”. O sensor é do tipo “flow through” e desta forma um sistema de bombeamento de ar foi acoplado ao seu circuito de admissão de ar. O sensor foi instalado foi testado e seu fluxo inferido. Foram implementadas correções sobre as leituras de CO2 decorrentes das variações de pressão atmosférica, umidade relativa do ar e temperatura. Os dados da sonda de CO2 foram comparadas as medidas das estações de Jubany na Ilha Rei George (~388 ppm) e South Pole, localizada a aproximadamente 500 km do Criosfera 1, que reporta valores atuais de ~390 ppm. Os dados da sonda instalada no Criosfera 1 estiveram em torno de 390 ppm. Vale ressaltar que os valores de Jubany e South Pole referem-se a médias mensais, ao passo que os dados do Criosfera 1 ainda representam médias diárias. A aquisição do CO2 é feita a cada 2 segundos sendo que a média de cada hora é transmitida via satélite.
Figura 9 – Instalação definitiva do sensor de CO2 no Criosfera 1.
A Figura abaixo ilustra a saída de dados do sensor Vaisala –GMP343 no Criosfera 1, obtida a cada 2 segundos. Na ocasião da leitura (ainda em fase de testes), no dia 11 de Janeiro de 2012, entre 18:30h e 19:30h GMT, a leitura média obtida foi de 387.5 ppm. Uma comparação direta com as médias mensais referentes ao mês de Dezembro de 2011 obtidas pelas estações de monitoramento do CO2 mais próximas ao Criosfera 1 (South Pole Station e Jubany Station na Ilha Rei George) mostrou que os dados do Criosfera 1 estão dentro do esperado para a região
Figura 10 – Na parte superior, saída de dados do sensor de CO2 no Criosfera 1. Abaixo, dados médios mensais atuais das estações mais próximas ao Criosfera 1.
9. Instalação do sensor de precipitação de neve e radiação solar global: Um sensor de acumulação de neve foi instalado com o objetivo de se avaliar em tempo quase-real o regime de deposição de neve na região da latitude 84oS. O modelo de equipamento utilizado é o SR50A produzido pela Campbell Scientific, Inc.. Trata-se de um dispositivo que emite ondas sonoras na faixa de 50 kHz (faixa do ultra-som). O SR50A determina a distância até a superfície de neve/gelo a partir da emissão de pulos de ultra-som e detecta o sinal de retorno que é refletido pela superfície. O intervalo de tempo entre a transmissão do sinal e a detecção de seu retorno ao sensor é a base para a obtenção da distância real e, consequentemente, da deposição vertical efetiva. Junto à haste do sensor de precipitação de neve foi instalado um sensor de radiação solar global cujos dados serão transmitidos juntos com os dados dos sensores meteorológicos instalados no Criosfera 1. Foi montada, adicionalmente, no dia 11 de Janeiro, uma placa branca de 166 cm x 80 cm imediatamente abaixo do sensor de precipitação de neve com o objetivo de atuar como um marcador temporal para a deposição de neve. Desta forma, na ocasião da campanha Criosfera 1 2012-2013, será possível coletar todo o pacote de neve depositado a partir de 11 de Janeiro.
11 – Instalação do sensor de precipitação de neve (em destaque) e de um radiômetro em haste localizada a ~ 25 m do Criosfera 1.
10. Instalação do sistema de amostragem de aerossóis: O sistema de coleta de aerossóis instalado no Criosfera 1 é formado por um “inlet” com 3 entradas independentes (apenas 2 fora utilizadas nesta missão), mangueiras de condução de ar, um “manifold” contendo 1 entrada e 12 saídas de ar, um sistema de filtragem do ar atmosférico (para coleta de aerossóis) contendo 12 suportes de filtro tipo “nuclepore” (porosidade de 0.4 mm e diâmetro de 47 mm), 12 válvulas de retenção tipo “one-way”, 12 bombas de diafragma, marca knf, 2 sistemas eletrônicos para temporização das amostragens, 1 “massflow meter” com compensação de temperatura e pressão atmosférica para medida da vazão de ar. Todo o circuito de passagem do ar atmosférico no sistema foi confeccionado em teflon e lavado previamente com ácido bidestilado em sala limpa no Brasil (incluindo-se cada filtro de amostragem). As vazões de cada bomba knf foram aferidas no Criosfera 1 durante a missão. As bombas de amostragem foram programadas para funcionamento automático em cada mês do ano, com exceção da “bomba referente ao mês de janeiro” que permanecerá em funcionamento durante todo o ano de forma contínua. Os filtros de amostrem mensal serão submetidos a 2 técnicas: (1) ICP-MS visando a análise de composição elementar e; (2) Cromatografia iônica visando a análise de cátions e ânions. O filtro referente ao mês de janeiro será submetido a técnica de EPMA.
Figura 12 – Sistema de amostragem de aerossóis: suportes contendo filtros, “manifold”, sistema de bombeamento de ar e “inlet”.
11. Amostragem de gases visando a análise de Compostos Orgânicos Voláteis: A amostragem de COVs foi realizada nas proximidades do Criosfera 1 durante a miss”ao Criosfera. Foram empregadas garrafas de amostragem com volumes de 6,0 L, 3,0 L e 1,5 L. Todas as garrafas foram mantidas sob condição de vácuo até o local de amostragem na Antártica e 4 garrafas de 6 L foram coletadas simultaneamente. As análises dos gases coletados pelas garrafas serão analisados por um GC-MS pertencente ao Instituto de Química da Uerj. Os resultados analíticos das garrafas coletadas em dias diferentes serão utilizados para estudos de transporte atmosférico. As 4 garrafas coletadas no mesmo dia e no mesmo horário serão mantidas sob baixa temperatura até a câmara fria da Uerj (-20oC). Uma das garrafas será analisada na oportunidade da chegada das garrafas a Uerj, as demais serão analisadas em intervalos de 4 meses com o objetivo de se investigar o nível de degradação/transformação dos gases no interior de cada garrafa quando mantidas prolongadamente. Este estudo será a base para as futuras coletas automática de gases no Criosfera 1 que deverão ocorrer no próximo inverno e suas análises desenvolvias meses depois.
Figura 13 – Amostragem de Compostos Orgânicos Voláteis (COVs) nas proximidades do Criosfera 1.
12. Integração e testes dos sensores: Dois “dataloggers” marca Campbell, modelo CR1000, foram instalados de forma a desenvolver toda a aquisição de dados do módulo Criosfera 1. Isto inclui todos os dados dos sensores meteorológicos (incluindo precipitação de neve), o sensor de CO2, dados de desempenho dos painéis solares, das turbinas eólicas, bombas de amostragem e temperatura em diversas pontos interiores e exteriores ao módulo. Todos estes dados são integrados nos “dataloggers” e conectados a um transmissor de dados satélite ELTA (“High Acuracy Locator” – modelo 03N65747).
Figura 14 – Sistema de controle de dados meteorológicos e geofísicos e
transmissão de dados por satélite.
Dificuldades/recomendações quanto a execução do projeto:
A missão teve um alto custo em virtude da complexa logística que foi exposta resumidamente aqui. Uma forma de minimizar este custo seria utilizar os vôos de apoio da FAB para transporte de carga e pessoal para o Criosfera 1. O impacto ambiental da atividade foi mínimo visto que a empresa ALE fez o recolhimento de todas as excretas sólidas e o lixo gerado durante nossa estadia na área de acampamento.
