Simulação computacional ajuda a entender o transporte de partículas suspensas na atmosfera

Grupo do Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação da USP desenvolve modelos para prever o comportamento dos aerossóis atmosféricos, que podem afetar o clima, as chuvas, a agricultura e a saúde humana

Heitor Shimizu, de Lyon | Agência FAPESP – Além de influenciar o clima, as chuvas e a agricultura, o material particulado suspenso na atmosfera pode afetar a saúde humana, favorecendo doenças respiratórias, cardiovasculares e até mesmo câncer. Por esse motivo, tem sido objeto de estudos em diversos países.

No Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC) da Universidade de São Paulo (USP), um grupo coordenado pela professora Livia Freire tem usado simulações computacionais para entender como ocorre o transporte dessas partículas microscópicas, também conhecidas como aerossóis, entre as diferentes camadas atmosféricas. As fontes de aerossol podem ser naturais (como os compostos orgânicos voláteis emitidos pelas árvores) ou antropogênicas (como a fumaça emitida por veículos, fábricas e queimadas florestais). 

A pesquisa tem apoio da FAPESP e foi apresentada por Freire durante o simpósio FAPESP Week France.

“Nosso interesse é saber como os aerossóis são transportados pelo escoamento atmosférico, um movimento muito complicado de simular e de compreender por ser turbulento. Estamos desenvolvendo modelos numéricos que simulam o escoamento da atmosfera e como ele transporta partículas. O objetivo é chegar a equações simples, que pesquisadores em outras áreas possam usar para entender a concentração de partículas na atmosfera”, disse Freire à Agência FAPESP.

Segundo a pesquisadora, para prever o comportamento das partículas e determinar, por exemplo, sua concentração em um determinado local e hora, é necessário entender o escoamento turbulento presente na camada-limite atmosférica, como é chamada a região que corresponde às primeiras centenas de metros da atmosfera.

“É uma região que concentra todas as trocas de energia, gases e partículas entre a atmosfera e os elementos que compõem a superfície do planeta”, explicou.

“O problema dos escoamentos turbulentos [em que as partículas se misturam de forma caótica, com turbulência e redemoinhos] é muito complexo, pois envolve várias escalas, desde a escala da própria atmosfera até outras muito pequenas, como os vórtices turbulentos que transportam partículas. Para simular isso em computador, precisamos representar todas essas escalas, o que implica um aumento significativo nos custos de computação. É um grande desafio representar todos os diferentes componentes da atmosfera em um sistema computacional com custo viável”, disse Freire.

Large-Eddy Simulation

De acordo com Freire, a camada-limite atmosférica possui um escoamento turbulento cuja representação computacional mais fiel é obtida pela técnica chamada de Large-Eddy Simulation (LES).

“Por sua natureza complexa, o estudo da turbulência tem como base o uso de simulações numéricas combinadas com a análise de dados experimentais. Para o escoamento atmosférico, o uso da técnica LES fornece indicadores importantes sobre o comportamento único da turbulência. Progressos significativos têm sido feitos no desenvolvimento de modelos para o transporte de matéria e energia na atmosfera em condições simplificadas”, disse.

“Por exemplo, a concentração média de partículas finas emitidas de uma região de solo plano e nu pode ser representada por uma simples relação de fluxo-perfil, um resultado encontrado a partir do uso de LES”, acrescentou.

Segundo Freire, os avanços na capacidade computacional oferecem uma oportunidade para investigar problemas mais complexos, como o transporte de partículas na presença de florestas e cidades.

“Estamos usando o LES, uma ferramenta numérica avançada, para desenvolver novos modelos que permitam explicar o transporte de partículas na atmosfera. Isso poderá aumentar nossa compreensão e nossa capacidade de prever seu papel no meio ambiente”, disse.

Na pesquisa com o LES, Freire tem trabalhado com os professores Leandro Franco de Souza, do ICMC, e Amauri Pereira de Oliveira, do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas, ambos da USP, e com David Richter, da Universidade de Notre Dame, nos Estados Unidos.

O simpósio FAPESP Week France foi realizado entre os dias 21 e 27 de novembro, graças a uma parceria entre a FAPESP e as universidades de Lyon e de Paris, ambas da França. Leia outras notícias sobre o evento em www.fapesp.br/week2019/france.