Extremal principle of entropy production in the climate system

Paltridge found reasonable values for the most significant climatic variables through maximizing the material transport part of entropy production by using a simple box model. Here, we analyse Paltridge's box model to obtain the energy and the entropy balance equations separately. Derived expressions for global entropy production, which is a function of the radiation field, and even its material transport component, are shown to be different from those used by Paltridge. Plausible climatic states are found at extrema of these parameters. Feasible results are also obtained by minimizing the radiation part of entropy production, in agreement with one of Planck's results, Finally, globally averaged values of the entropy flux of radiation and material entropy production are obtained for two dynamical extreme cases: an earth with uniform temperature, and an earth in radiative equilibrium at each latitudinal point

Runaway Greenhouse Effect in a Semigray Radiative-Convective Model

The effects of the nongray absorption (i.e., atmospheric opacity varying with wavelength) on the possible upper bound of the outgoing longwave radiation (OLR) emitted by a planetary atmosphere have been examined. This analysis is based on the semigray approach, which appears to be a reasonable compromise between the complexity of nongray models and the simplicity of the gray assumption (i.e., atmospheric absorption independent of wavelength). Atmospheric gases in semigray atmospheres make use of constant absorption coefficients in finite-width spectral bands. Here, such a semigray absorption is introduced in a one-dimensional (1D) radiative– convective model with a stratosphere in radiative equilibrium and a troposphere fully saturated with water vapor, which is the semigray gas. A single atmospheric window in the infrared spectrum has been assumed. In contrast to the single absolute limit of OLR found in gray atmospheres, semigray ones may also show a relative limit. This means that both finite and infinite runaway effects may arise in some semigray cases. Of particular importance is the finding of an entirely new branch of stable steady states that does not appear in gray atmospheres. This new multiple equilibrium is a consequence of the nongray absorption only. It is suspected that this new set of stable solutions has not been previously revealed in analyses of radiative–convective models since it does not appear for an atmosphere with nongray parameters similar to those for the earth’s current state

The effect of atmospheric absorption of sunlight on the runaway greenhouse point

The longwave emission of planetary atmospheres that contain a condensable absorbing gas in the infrared (i.e., longwave), which is in equilibrium with its liquid phase at the surface, may exhibit an upper bound. Here we analyze the effect of the atmospheric absorption of sunlight on this radiation limit. We assume that the atmospheric absorption of infrared radiation is independent of wavelength except within the spectral width of the atmospheric window, where it is zero. The temperature profile in radiative equilibrium is obtained analytically as a function of the longwave optical thickness. For illustrative purposes, numerical values for the infrared atmospheric absorption (i.e., greenhouse effect) and the liquid vapor equilibrium curve of the condensable absorbing gas refer to water. Values for the atmospheric absorption of sunlight (i.e., antigreenhouse effect) take a wide range since our aim is to provide a qualitative view of their effects. We find that atmospheres with a transparent region in the infrared spectrum do not present an absolute upper bound on the infrared emission. This result may be also found in atmospheres opaque at all infrared wavelengths if the fraction of absorbed sunlight in the atmosphere increases with the longwave opacity

Greenhouse gases and climatic states of minimum entropy production

The hypothesis of minimum entropy production is applied to a simple one-dimensional energy balance model and is analysed for different values of the radiative forcing due to greenhouse gases. The extremum principle is used to determine the planetary “conductivity” and to avoid the “diffusive” approximation, which is commonly assumed in this type of model. For present conditions the result at minimum radiative entropy production is similar to that obtained by applying the classical model. Other climatic scenarios show visible differences, with better behaviour for the extremal case

Effects of convection on the removal of the multiplicity of stable states in one-dimensional vertical models

Here I develop a model of a radiative-convective atmosphere with both radiative and convective schemes highly simplified. The atmospheric absorption of radiation at selective wavelengths makes use of constant mass absorption coefficients in finite width spectral bands. The convective regime is introduced by using a prescribed lapse rate in the troposphere. The main novelty of the radiative-convective model developed here is that it is solved without using any angular approximation for the radiation field. The solution obtained in the purely radiation mode (i. e. with convection ignored) leads to multiple equilibria of stable states, being very similar to some results recently found in simple models of planetary atmospheres. However, the introduction of convective processes removes the multiple equilibria of stable states. This shows the importance of taking convective processes into account even for qualitative analyses of planetary atmosphere

States of maximum entropy production in a onedimensional vertical model with convective adjustment

We investigate the hypothesis that the atmosphere is constrained to maximize its entropy production by using a one-dimensional (1-D) vertical model. We prescribe the lapse rate in the convective layer as that of the standard troposphere. The assumption that convection sustains a critical lapse rate was absent in previous studies, which focused on the vertical distribution of climatic variables, since such a convective adjustment reduces the degrees of freedom of the system and may prevent the application of the maximum entropy production (MEP) principle. This is not the case in the radiative–convective model (RCM) developed here, since we accept a discontinuity of temperatures at the surface similar to that adopted in many RCMs. For current conditions, the MEP state gives a difference between the ground temperature and the air temperature at the surface ≈10 K. In comparison, conventional RCMs obtain a discontinuity ≈2 K only. However, the surface boundary layer velocity in the MEP state appears reasonable (≈3 m s-¹). Moreover, although the convective flux at the surface in MEP states is almost uniform in optically thick atmospheres, it reaches a maximum value for an optical thickness similar to current conditions. This additional result may support the maximum convection hypothesis suggested by Paltridge (1978)

Extremal climatic states simulated by a 2-dimensional model Part I: Sensitivity of the model and present state

The criterion, based on the thermodynamics theory, that the climatic system tends to extremizesome function has suggested several studies. In particular, special attention has been devoted to the possibility that the climate reaches an extremal rate of planetary entropy production.Due to both radiative and material effects contribute to total planetary entropy production,climatic simulations obtained at the extremal rates of total, radiative or material entropy production appear to be of interest in order to elucidate which of the three extremal assumptions behaves more similar to current data. In the present paper, these results have been obtainedby applying a 2-dimensional (2-Dim) horizontal energy balance box-model, with a few independent variables (surface temperature, cloud-cover and material heat fluxes). In addition, climatic simulations for current conditions by assuming a fixed cloud-cover have been obtained. Finally,sensitivity analyses for both variable and fixed cloud models have been carried out

Extremal climatic states simulated by a 2-dimensional model Part II: Different climatic scenarios

Different climatic simulations have been obtained by using a 2-Dim horizontal energy balancemodel (EBM), which has been constrained to satisfy several extremal principles on dissipationand convection. Moreover, 2 different versions of the model with fixed and variable cloud-coverhave been used. The assumption of an extremal type of behaviour for the climatic system canacquire additional support depending on the similarities found with measured data for pastconditions as well as with usual projections for possible future scenarios

Analytical investigation of the atmospheric radiation limits in semigray atmospheres in radiative equilibrium

We model the wavelength-dependent absorption of atmospheric gases by assuming constant mass absorption coefficients in finite-width spectral bands. Such a semigray atmosphere is analytically solved by a discrete ordinate method. The general solution is analyzed for a water vapor saturated atmosphere that also contains a carbon dioxide-like absorbing gas in the infrared. A multiple stable equilibrium with a relative upper limit in the outgoing long-wave radiation is found. Differing from previous radiative–convective models, we find that the amount of carbon dioxide strongly modifies the value of this relative upper limit. This result is also obtained in a gray (i.e., equal absorption of radiation at all infrared wavelengths) water vapor saturated atmosphere. The destabilizing effect of carbon dioxide implies that massive carbon dioxide atmospheres are more likely to reach a runaway greenhouse state than thin carbon dioxide ones

Estudo de caso de uma situação atmosférica entre 12 e 19 de setembro de 2008, com algumas características semelhantes ao evento Catarina

Este trabalho apresenta uma análise das condições sinótica e dinâmica associadas ao desenvolvimento do ciclone ocorrido entre 12 e 19 de setembro de 2008, com o objetivo de destacar diferenças e semelhanças com o ambiente em que se inseriu o evento Catarina em março de 2004. As principais semelhanças foram encontradas no padrão sinótico geral: a ocorrência de um padrão típico de bloqueio do tipo dipolo associado à anomalia de vorticidade potencial em altos níveis; cavado em níveis médios com inclinação para oeste; a presença de uma coluna de vorticidade ciclônica desde a superfície até a baixa estratosfera; e, em superfície, o padrão de uma alta ao sul de uma baixa pressão. Apesar das semelhanças no padrão geral, diferenças ocorreram entre os dois eventos que influenciaram na intensidade dos sistemas: o Catarina ocorreu em latitudes mais baixas em relação ao caso de setembro de 2008; o padrão típico de bloqueio associado ao caso de setembro de 2008 durou um dia e meio, enquanto no evento Catarina foi de três dias; a configuração da advecção de temperatura na camada entre 1000-500 hPa favoreceu o deslocamento do evento de setembro de 2008 para leste/sudeste, ao contrário do Catarina, a advecção de ar quente a leste do ciclone foi praticamente suprimida e a tendência de altura geopotencial passou a ser positiva, padrões que impedem o deslocamento do sistema para leste; no caso de setembro de 2008 o padrão da inversão do gradiente meridional de temperatura potencial na superfície de -2,0 unidade de vorticidade potencial (UVP) foi caracterizado pela incursão de uma região alongada de ar quente vinda do equador em direção ao sul e ar frio vinda do sul em direção ao equador, enquanto no caso Catarina a inversão ocorre pelo isolamento de uma bolha de ar frio ao norte e uma bolha de ar quente ao sul, o que pode ter contribuído para maior duração do padrão de bloqueio, pois a dissipação neste caso é dificultada. Sistemas como o Catarina podem ser raros no Atlântico Sul, mas isso não ocorre em relação ao ambiente sinótico em que se formou o Catarina. Para melhor entender o processo atmosférico que levou à formação do Catarina, é necessário realizar experimentos numéricos de sensibilidade para o caso de setembro de 2008 com o objetivo de verificar a possibilidade do ciclone extratropical se tornar um ciclone tropical.

Estudo da camada limite atmosférica em regiões metropolitanas costeiras com simulações de brisa marítima

O principal objetivo deste trabalho foi identificar e caracterizar a evolução diária da Camada Limite Atmosférica (CLA) na Região da Grande Vitória (RGV), Estado do Espírito Santo, Brasil e na Região de Dunkerque (RD), Departamento Nord Pas-de-Calais, França, avaliando a acurácia de parametrizações usadas no modelo meteorológico Weather Research and Forecasting (WRF) em detectar a formação e atributos da Camada Limite Interna (CLI) que é formada pelas brisas marítimas. A RGV tem relevo complexo, em uma região costeira de topografia acidentada e uma cadeia de montanhas paralela à costa. A RD tem relevo simples, em uma região costeira com pequenas ondulações que não chegam a ultrapassar 150 metros, ao longo do domínio de estudos. Para avaliar os resultados dos prognósticos feitos pelo modelo, foram utilizados os resultados de duas campanhas: uma realizada na cidade de Dunkerque, no norte da França, em Julho de 2009, utilizando um sistema light detection and ranging (LIDAR), um sonic detection and ranging (SODAR) e dados de uma estação meteorológica de superfície (EMS); outra realizada na cidade de Vitória – Espírito Santo, no mês de julho de 2012, também usando um LIDAR, um SODAR e dados de uma EMS. Foram realizadas simulações usando três esquemas de parametrizações para a CLA, dois de fechamento não local, Yonsei University (YSU) e Asymmetric Convective Model 2 (ACM2) e um de fechamento local, Mellor Yamada Janjic (MYJ) e dois esquemas de camada superficial do solo (CLS), Rapid Update Cycle (RUC) e Noah. Tanto para a RGV quanto para a RD, foram feitas simulações com as seis possíveis combinações das três parametrizações de CLA e as duas de CLS, para os períodos em que foram feitas as campanhas, usando quatro domínios aninhados, sendo os três maiores quadrados com dimensões laterais de 1863 km, 891 km e 297 km, grades de 27 km, 9 km e 3 km, respectivamente, e o domínio de estudo, com dimensões de 81 km na direção Norte-Sul e 63 km na Leste-Oeste, grade de 1 km, com 55 níveis verticais, até um máximo de, aproximadamente, 13.400 m, mais concentrados próximos ao solo. Os resultados deste trabalho mostraram que: a) dependendo da configuração adotada, o esforço computacional pode aumentar demasiadamente, sem que ocorra um grande aumento na acurácia dos resultados; b) para a RD, a simulação usando o conjunto de parametrizações MYJ para a CLA com a parametrização Noah produziu a melhor estimativa captando os fenômenos da CLI. As simulações usando as parametrizações ACM2 e YSU inferiram a entrada da brisa com atraso de até três horas; c) para a RGV, a simulação que usou as parametrizações YSU para a CLA em conjunto com a parametrização Noah para CLS foi a que conseguiu fazer melhores inferências sobre a CLI. Esses resultados sugerem a necessidade de avaliações prévias do esforço computacional necessário para determinadas configurações, e sobre a acurácia de conjuntos de parametrizações específicos para cada região pesquisada. As diferenças estão associadas com a capacidade das diferentes parametrizações em captar as informações superficiais provenientes das informações globais, essenciais para determinar a intensidade de mistura turbulenta vertical e temperatura superficial do solo, sugerindo que uma melhor representação do uso de solo é fundamental para melhorar as estimativas sobre a CLI e demais parâmetros usados por modelos de dispersão de poluentes atmosféricos.

Poluição atmosférica e atendimentos por pneumonia e gripe em São Paulo, Brasil

OBJETIVO: Investigar os efeitos causados pela poluição atmosférica na morbidade por pneumonia e por gripe em idosos entre 1996 e 1998. MÉTODOS: Foram obtidos dados diários de atendimentos por pneumonia e gripe para idosos em pronto-socorro médico de um hospital-escola de referência no Município de São Paulo, SP, Brasil. Os níveis diários de CO, O3, SO2, NO2 e PM10 foram obtidos na Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental, e os dados diários de temperatura e umidade relativa do ar foram obtidos no Instituto Astronômico e Geofísico da USP. Para verificar a relação existente entre pneumonia e gripe e poluição atmosférica, utilizou-se o modelo aditivo generalizado de regressão de Poisson, tendo como variável dependente o número diário de atendimentos por pneumonia e gripe e como variáveis independentes as concentrações médias diárias dos poluentes atmosféricos. A análise foi ajustada para sazonalidade de longa duração (número de dias transcorridos), sazonalidade de curta duração (dias da semana), temperatura mínima, umidade média, períodos de rodízio e os atendimentos por doenças não-respiratórias em idosos. RESULTADOS: O3 e SO2 estão diretamente associados à pneumonia e à gripe, independentemente das variáveis de controle. Porém, na análise conjunta, eles perdem sua significância estatística. Pôde-se observar que um aumento interquartil (25%-75%) para o O3 (38,80 mig/m³) e SO2 (15,05 mig/m³) levaram a um acréscimo de 8,07% e 14,51%, respectivamente, no número de atendimentos por pneumonia e gripe em idosos. CONCLUSÕES: Os resultados sugerem que a poluição atmosférica promove efeitos adversos para a saúde de idosos.

Poluição atmosférica e doenças respiratórias em crianças na cidade de Curitiba, PR

OBJETIVO: Investigar os efeitos causados pela poluição atmosférica na morbidade por doenças respiratórias em crianças entre 1999 e 2000. MÉTODOS: Foram obtidos os dados diários de atendimentos por doenças respiratórias para crianças em unidades de saúde no Sistema Único de Saúde (SUS) no município de Curitiba, PR, Brasil. Níveis diários de material particulado, fumaça, dióxido de nitrogênio e ozônio foram obtidos com o Instituto Ambiental do Paraná e Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento, organização não governamental. Dados diários de temperatura e umidade relativa do ar foram fornecidos pelo Instituto Nacional de Meteorologia. Para verificar a relação existente entre doenças respiratórias e poluição atmosférica, utilizou-se o modelo aditivo generalizado de regressão de Poisson, tendo como variável dependente o número diário de atendimentos por doenças respiratórias e, como variáveis independentes, as concentrações médias diárias dos poluentes atmosféricos. A análise foi ajustada para sazonalidade de longa duração (número de dias transcorridos), sazonalidade de curta duração (dias da semana), temperatura mínima e umidade média. O nível de significância alfa=5% foi adotado em todas as análises . RESULTADOS: Todos os poluentes investigados apresentaram efeitos sobre as doenças respiratórias de crianças. Um aumento de 40,4 µg/m³ na média móvel de três dias de fumaça esteve associado a um aumento de 4,5% (IC 95% 1,5; 7,6) nas consultas por doenças respiratórias de crianças. CONCLUSÕES: Os resultados sugerem que a poluição atmosférica promove efeitos adversos para a saúde das crianças, mesmo quando os níveis dos poluentes estão aquém do que determina a legislação.

Internações e óbitos e sua relação com a poluição atmosférica em São Paulo, 1993 a 1997

OBJETIVO: Investigar efeitos de curto prazo da poluição atmosférica na morbidade respiratória de menores de 15 anos e na mortalidade de idosos. MÉTODOS: O estudo foi realizado na cidade de São Paulo, Brasil. Foram analisadas as contagens diárias de admissões hospitalares, de menores de 15 anos e de mortes de idosos (>64 anos) no período de 1993 a 1997, em relação às variações diárias de poluentes atmosféricos (PM10, CO, O3). Foi utilizada para análise a regressão de Poisson em modelos aditivos generalizados. Os modelos foram ajustados para efeitos da tendência temporal, sazonalidade, dias da semana, fatores meteorológicos e autocorrelação. RESULTADOS: Variações do 10° ao 90° percentil dos poluentes foi significativamente associada com o aumento de admissões por doenças respiratórias em menores de 15 anos para PM10 (%RR=10,0), CO (%RR=6,1) e O3 (%RR=2,5). Associação similar foi encontrada para mortalidade em idosos e PM10 (%RR=8,1) e CO (%RR=7,9). CONCLUSÕES: Os resultados encontrados são coerentes com os estudos que apontam associação entre variações de curto prazo dos poluentes atmosféricos e incremento na morbidade e mortalidade nos grandes centros urbanos.

Efeitos da poluição atmosférica na saúde infantil em São José dos Campos, SP

OBJETIVO: Dentre os efeitos da poluição ambiental na saúde da criança, destaca-se o aumento de internações por pneumonias. O objetivo do estudo foi estimar a associação dessas internações com o aumento dos poluentes atmosféricos. MÉTODOS: Trata-se de estudo ecológico de séries temporais, realizado na cidade de São José dos Campos, SP, nos anos de 2000 e 2001. Foram utilizados dados diários sobre o número de internações por pneumonia, dados diários de poluentes (SO2, O3 e PM10) e de temperatura e umidade do clima. Foram estimadas as correlações entre as variáveis de interesse pelo coeficiente de Pearson. Para estimar a associação entre as internações por pneumonia e a poluição atmosférica, utilizaram-se modelos aditivos generalizados de regressão de Poisson. Foram estimados os acréscimos das internações por pneumonia para o intervalo interquartil para cada um dos poluentes estudados, com um intervalo de confiança de 95% RESULTADOS: Os três poluentes apresentaram efeitos defasados nas internações por pneumonia, iniciada três a quatro dias após a exposição e decaindo rapidamente. Na estimativa de efeito acumulado de oito dias observou-se ao longo desse período que para aumentos de 24,7 µg/m³ na concentração média de PM10 houve um acréscimo de 9,8% nas internações. CONCLUSÕES: O estudo confirma que o potencial deletério dos poluentes do ar sobre a saúde pode ser detectado, também, em cidades de médio porte. A magnitude do efeito foi semelhante ao observado na cidade de São Paulo. Além disso, mostra a elevada susceptibilidade das crianças aos efeitos adversos advindos da exposição aos contaminantes atmosféricos.