Simulações acopladas do escoamento reativo e dos processos de transferência de calor para o estudo de chamas são problemas dispendiosos computacionalmente. A transferência de calor por radiação em processos de combustão, devido às elevadas temperaturas, é o processo de troca energética dominante. Ainda, o comportamento altamente irregular do coeficiente de absorção com o comprimento de onda se constitui em uma dificuldade adicional na modelagem da transferência radiativa em meios participantes. Para contornar essa dificuldade modelos espectrais foram desenvolvidos com o objetivo de simular o comportamento de um gás real. Dentre esses modelos destacam-se o gás cinza (GG: Gray Gas), o mais simples, que negligencia o comportamento espectral do coeficiente de absorção, e o modelo da soma-ponderada-de-gases-cinza (WSGG: Weighted-Sum-of-Gray-Gases) onde a integração sobre todo o espectro é substituída por um número finito de gases cinza. Com o avanço de ferramentas computacionais, principalmente códigos CFD (Computational Fluid Dynamics), abordagens computacionais se tornaram atrativas frente ou em complemento às abordagens experimentais. Desse modo, o presente trabalho tem por objetivo a aplicação dos modelos WSGG e GG com novas correlações na simulação detalhada de chamas difusivas laminares de metano diluído com dióxido de carbono e nitrogênio com o código CFD comercial ANSYS/Fluent. Foram desenvolvidas rotinas de usuário (UDF: User-Defined Functions) para o acoplamento dos modelos espectrais ao código CFD. A verificação das rotinas de usuário foi realizada comparando os resultados obtidos via simulação Fluent com dados obtidos pelo modelo WSGG com um código FORTRAN próprio desenvolvido pelo grupo de pesquisa do Laboratório de Radiação Térmica (LRT/UFRGS) para o problema unidimensional de superfícies negras e infinitas preenchidas por um meio não-isotérmico e não-homogêneo. Os erros encontrados para o fluxo de calor radiativo nas superfícies e para o termo fonte radiativo ao longo do meio foram da ordem de 1% indicando o funcionamento correto das rotinas UDF acopladas ao Fluent. Por fim, as rotinas foram aplicadas na simulação numérica para chamas de potência constante com diluição dos reagentes e os dados obtidos com a solução numérica foram comparados com dados experimentais para a fração radiante e fluxo de calor radiativo. Os desvios médios encontrados para o fluxo de calor radiativo ficaram em torno de 10% para todas as chamas, excetuando as chamas com diluição de CO2 de 30%, 40% e 50%, em volume, para as quais os desvios médios ficaram em torno de 15%. O termo fonte para as chamas apontou para a predominância da emissão do meio em relação à absorção. Todas as chamas estudadas se encontram no regime opticamente fino (optically thin) para o qual, segundo apontam estudos da literatura, a escolha do modelo espectral possui impacto pequeno em resultados globais da chama como a temperatura e a concentração das espécies na mistura. Nesse aspecto os resultados encontrados concordaram com a previsão da literatura, entretanto para a transferência radiativa, o modelo GG se mostrou sensivelmente menos preciso em comparação ao modelo WSGG, principalmente para a fração radiante e para o fluxo radiativo na região da pluma aquecida, indicando a dependência do modelo espectral adotado. / Coupled simulations of the reactive flow with the heat transfer processes for flame studying are computationally demanding problems. The radiative transfer in combustion processes is the main heat transfer mechanism due to the high temperatures involved. However, the highly irregular behavior o f the absorption coefficient with the wavenumber composes in an additional difficulty on modeling the radiative transfer in participating media. In order to overcome this issue, spectral models were developed with the objective of simulate the behavior of real gases. Some of the most known models are the gray gas (GG) for which the spectral behavior of the radiative properties of the medium is neglected and the weighted-sum-of-gray-gases (WSGG) for which the integration over the entire spectrum is replaced by a summation over a finite number of gray gases with constant absorption coefficients. With the development of computational tools, mainly Computational Fluid Dynamics (CFD) codes, numerical approaches became attractive instead or in complement of experimental set ups. In this way, the present work aims to couple the WSGG and the GG models with new correlations in a detailed simulation of diffusive laminar flames of methane diluted with carbon dioxide and nitrogen with the commercial CFD code ANSYS/Fluent. User-defined functions (UDF) were developed to the coupling of the spectral models. The verification was carried out through the WSGG model by comparing the Fluent solution with a solution obtained with a FORTRAN code developed by the Thermal Radiation Laboratory (LRT/UFRGS) research group for the one-dimensional system of black surfaces filled with a non-homogeneous and non-isothermal medium. The deviations for the radiative heat flux for the walls and the radiative heat source along the domain were of 1% or less, indicating the correct coupling between the UDF routines and the CFD code. Finally, the UDF were applied in the solution of constant power flames with fuel diluted with carbon dioxide and nitrogen. The obtained data was then compared with experimental measurements for the radiant fraction and the radiative heat flux along the flame axis. The average deviations found were in order of 10% for all flames, except for the flames with 30%, 40% and 50% of CO2 dilution, in volume, for which the deviatioms found were in order of 15%. The radiative heat source was plotted and indicated for the medium emission predominance in comparison with the medium absorption. All flames studied were optically thin flames for which, studies pointed, the spectral model have minor impact over global results as flame temperature and mixture concentration. For this aspect the results found showed agreement with the literature studies predictions, however the GG model showed itself less accurate in comparison with the WSGG model for the radiant fraction and the radiative heat flux computations. So the spectral models have influence on the radiative transfer even if its effect on flame structure can be negligible.

Nesta contribuição apresentamos uma solução para a equação de transferência radiativa condutiva em geometria cilíndrica. Esta solução é aplicada para simular a radiação e campo de temperatura juntamente com o transporte de energia radiativa e condutiva proveniente do escape liberado em lançamentos de foguetes. Para este fim, discutimos uma abordagem semianalítica reduzindo a equação original, que é contínua nas variáveis angulares, numa equação semelhante ao problema SN da transferência radiativa condutiva. A solução é construída usando um método de composição por transformada de Laplace e o método da decomposição de Adomian. O esquema recursivo ´e apresentado para o sistema de equações de ordenadas duplamente discretas juntamente com as dependências dos parâmetros e suas influências sobre a convergência heurística da solução. A solução obtida, em seguida, permite construir o campo próximo relevante para caracterizar o termo fonte para problemas de dispersão ao ajustar os parâmetros do modelo, tais como, emissividade, refletividade, albedo e outros, em comparação com a observação, que são relevantes para os processos de dispersão de campo distante e podem ser manipulados de forma independente do presente problema. Além do método de solução, também relatamos sobre algumas soluções e simulações numéricas. / In this contribution we present a solution for the radiative conductive transfer equation in cylinder geometry. This solution is applied to simulate the radiation and temperature field together with conductive and radiative energy transport originated from the exhaust released in rocket launches. To this end we discuss a semi-analytical approach reducing the original equation, which is continuous in the angular variables, into an equation similar to the SN radiative conductive transfer problem. The solution is constructed using a composite method by Laplace transform and Adomian decomposition method. The recursive scheme is presented for the doubly discrete ordinate equations system together with parameter dependencies and their influence on heuristic convergence of the solution. The obtained solution allows then to construct the relevant near field to characterize the source term for dispersion problems when adjusting the model parameters such as emissivity, reflectivity, albedo and others in comparison to the observation, that are relevant for far field dispersion processes and may be handled independently from the present problem. In addition to the solution method we also report some solutions and numerical simulations.

Esta tese tem por objetivo propor uma metodologia para recuperação de perfis verticais de temperatura na atmosfera com nuvens a partir de medidas de radiância feitas por satélite, usando redes neurais artificiais. Perfis verticais de temperatura são importantes condições iniciais para modelos de previsão de tempo, e são usualmente obtidos a partir de medidas de radiâncias feitas por satélites na faixa do infravermelho. No entanto, quando estas medidas são feitas na presença de nuvens, não é possível, com as técnicas atuais, efetuar a recuperação deste perfil. É uma perda significativa de informação, pois, em média, 20% dos pixels das imagens acusam presença de nuvens. Nesta tese, este problema é resolvido como um problema inverso em dois passos: o primeiro passo consiste na determinação da radiância que atinge a base da nuvem a partir da radiância medida pelos satélites; o segundo passo consiste na determinação do perfil vertical de temperaturas a partir da informação de radiância fornecida pelo primeiro passo. São apresentadas reconstruções do perfil de temperatura para quatro casos testes. Os resultados obtidos mostram que a metodologia adotada produz resultados satisfatórios e tem grande potencial de uso, permitindo incorporar informações sobre uma região mais ampla do globo e, consequentemente, melhorar os modelos de previsão do tempo. / This thesis presents a methodology for retrieving vertical temperature profiles in the atmosphere with clouds from radiance measurements made by satellite, using artificial neural networks. Vertical temperature profiles are important initial conditions for numerical weather prediction models, and are usually obtained from measurements of radiance using infrared channels. Though, when these measurements are performed in the atmosphere with clouds, it is not possible to retrieve the temperature profile with current techniques. It is a significant loss of information, since on average 20% of the pixels of the images have clouds. In this thesis, this problem is solved as a two-step inverse problem: the first step is an inverse problem of boundary condition estimation, where the radiance reaching the cloud basis is determined from radiance measured by satellite; the second step consists in determining the vertical temperature profile from the boundary condition estimated in the first step. Reconstructions of temperature profile are presented for four test cases. The results show that the proposed methodology produces satisfactory results and has great potential for use, allowing to incorporate information from a wider area of the planet and thus to improve numerical weather prediction models.

Esta tese tem por objetivo propor uma metodologia para recuperação de perfis verticais de temperatura na atmosfera com nuvens a partir de medidas de radiância feitas por satélite, usando redes neurais artificiais. Perfis verticais de temperatura são importantes condições iniciais para modelos de previsão de tempo, e são usualmente obtidos a partir de medidas de radiâncias feitas por satélites na faixa do infravermelho. No entanto, quando estas medidas são feitas na presença de nuvens, não é possível, com as técnicas atuais, efetuar a recuperação deste perfil. É uma perda significativa de informação, pois, em média, 20% dos pixels das imagens acusam presença de nuvens. Nesta tese, este problema é resolvido como um problema inverso em dois passos: o primeiro passo consiste na determinação da radiância que atinge a base da nuvem a partir da radiância medida pelos satélites; o segundo passo consiste na determinação do perfil vertical de temperaturas a partir da informação de radiância fornecida pelo primeiro passo. São apresentadas reconstruções do perfil de temperatura para quatro casos testes. Os resultados obtidos mostram que a metodologia adotada produz resultados satisfatórios e tem grande potencial de uso, permitindo incorporar informações sobre uma região mais ampla do globo e, consequentemente, melhorar os modelos de previsão do tempo. / This thesis presents a methodology for retrieving vertical temperature profiles in the atmosphere with clouds from radiance measurements made by satellite, using artificial neural networks. Vertical temperature profiles are important initial conditions for numerical weather prediction models, and are usually obtained from measurements of radiance using infrared channels. Though, when these measurements are performed in the atmosphere with clouds, it is not possible to retrieve the temperature profile with current techniques. It is a significant loss of information, since on average 20% of the pixels of the images have clouds. In this thesis, this problem is solved as a two-step inverse problem: the first step is an inverse problem of boundary condition estimation, where the radiance reaching the cloud basis is determined from radiance measured by satellite; the second step consists in determining the vertical temperature profile from the boundary condition estimated in the first step. Reconstructions of temperature profile are presented for four test cases. The results show that the proposed methodology produces satisfactory results and has great potential for use, allowing to incorporate information from a wider area of the planet and thus to improve numerical weather prediction models.

Simulações acopladas do escoamento reativo e dos processos de transferência de calor para o estudo de chamas são problemas dispendiosos computacionalmente. A transferência de calor por radiação em processos de combustão, devido às elevadas temperaturas, é o processo de troca energética dominante. Ainda, o comportamento altamente irregular do coeficiente de absorção com o comprimento de onda se constitui em uma dificuldade adicional na modelagem da transferência radiativa em meios participantes. Para contornar essa dificuldade modelos espectrais foram desenvolvidos com o objetivo de simular o comportamento de um gás real. Dentre esses modelos destacam-se o gás cinza (GG: Gray Gas), o mais simples, que negligencia o comportamento espectral do coeficiente de absorção, e o modelo da soma-ponderada-de-gases-cinza (WSGG: Weighted-Sum-of-Gray-Gases) onde a integração sobre todo o espectro é substituída por um número finito de gases cinza. Com o avanço de ferramentas computacionais, principalmente códigos CFD (Computational Fluid Dynamics), abordagens computacionais se tornaram atrativas frente ou em complemento às abordagens experimentais. Desse modo, o presente trabalho tem por objetivo a aplicação dos modelos WSGG e GG com novas correlações na simulação detalhada de chamas difusivas laminares de metano diluído com dióxido de carbono e nitrogênio com o código CFD comercial ANSYS/Fluent. Foram desenvolvidas rotinas de usuário (UDF: User-Defined Functions) para o acoplamento dos modelos espectrais ao código CFD. A verificação das rotinas de usuário foi realizada comparando os resultados obtidos via simulação Fluent com dados obtidos pelo modelo WSGG com um código FORTRAN próprio desenvolvido pelo grupo de pesquisa do Laboratório de Radiação Térmica (LRT/UFRGS) para o problema unidimensional de superfícies negras e infinitas preenchidas por um meio não-isotérmico e não-homogêneo. Os erros encontrados para o fluxo de calor radiativo nas superfícies e para o termo fonte radiativo ao longo do meio foram da ordem de 1% indicando o funcionamento correto das rotinas UDF acopladas ao Fluent. Por fim, as rotinas foram aplicadas na simulação numérica para chamas de potência constante com diluição dos reagentes e os dados obtidos com a solução numérica foram comparados com dados experimentais para a fração radiante e fluxo de calor radiativo. Os desvios médios encontrados para o fluxo de calor radiativo ficaram em torno de 10% para todas as chamas, excetuando as chamas com diluição de CO2 de 30%, 40% e 50%, em volume, para as quais os desvios médios ficaram em torno de 15%. O termo fonte para as chamas apontou para a predominância da emissão do meio em relação à absorção. Todas as chamas estudadas se encontram no regime opticamente fino (optically thin) para o qual, segundo apontam estudos da literatura, a escolha do modelo espectral possui impacto pequeno em resultados globais da chama como a temperatura e a concentração das espécies na mistura. Nesse aspecto os resultados encontrados concordaram com a previsão da literatura, entretanto para a transferência radiativa, o modelo GG se mostrou sensivelmente menos preciso em comparação ao modelo WSGG, principalmente para a fração radiante e para o fluxo radiativo na região da pluma aquecida, indicando a dependência do modelo espectral adotado. / Coupled simulations of the reactive flow with the heat transfer processes for flame studying are computationally demanding problems. The radiative transfer in combustion processes is the main heat transfer mechanism due to the high temperatures involved. However, the highly irregular behavior o f the absorption coefficient with the wavenumber composes in an additional difficulty on modeling the radiative transfer in participating media. In order to overcome this issue, spectral models were developed with the objective of simulate the behavior of real gases. Some of the most known models are the gray gas (GG) for which the spectral behavior of the radiative properties of the medium is neglected and the weighted-sum-of-gray-gases (WSGG) for which the integration over the entire spectrum is replaced by a summation over a finite number of gray gases with constant absorption coefficients. With the development of computational tools, mainly Computational Fluid Dynamics (CFD) codes, numerical approaches became attractive instead or in complement of experimental set ups. In this way, the present work aims to couple the WSGG and the GG models with new correlations in a detailed simulation of diffusive laminar flames of methane diluted with carbon dioxide and nitrogen with the commercial CFD code ANSYS/Fluent. User-defined functions (UDF) were developed to the coupling of the spectral models. The verification was carried out through the WSGG model by comparing the Fluent solution with a solution obtained with a FORTRAN code developed by the Thermal Radiation Laboratory (LRT/UFRGS) research group for the one-dimensional system of black surfaces filled with a non-homogeneous and non-isothermal medium. The deviations for the radiative heat flux for the walls and the radiative heat source along the domain were of 1% or less, indicating the correct coupling between the UDF routines and the CFD code. Finally, the UDF were applied in the solution of constant power flames with fuel diluted with carbon dioxide and nitrogen. The obtained data was then compared with experimental measurements for the radiant fraction and the radiative heat flux along the flame axis. The average deviations found were in order of 10% for all flames, except for the flames with 30%, 40% and 50% of CO2 dilution, in volume, for which the deviatioms found were in order of 15%. The radiative heat source was plotted and indicated for the medium emission predominance in comparison with the medium absorption. All flames studied were optically thin flames for which, studies pointed, the spectral model have minor impact over global results as flame temperature and mixture concentration. For this aspect the results found showed agreement with the literature studies predictions, however the GG model showed itself less accurate in comparison with the WSGG model for the radiant fraction and the radiative heat flux computations. So the spectral models have influence on the radiative transfer even if its effect on flame structure can be negligible.

Nesta contribuição apresentamos uma solução para a equação de transferência radiativa condutiva em geometria cilíndrica. Esta solução é aplicada para simular a radiação e campo de temperatura juntamente com o transporte de energia radiativa e condutiva proveniente do escape liberado em lançamentos de foguetes. Para este fim, discutimos uma abordagem semianalítica reduzindo a equação original, que é contínua nas variáveis angulares, numa equação semelhante ao problema SN da transferência radiativa condutiva. A solução é construída usando um método de composição por transformada de Laplace e o método da decomposição de Adomian. O esquema recursivo ´e apresentado para o sistema de equações de ordenadas duplamente discretas juntamente com as dependências dos parâmetros e suas influências sobre a convergência heurística da solução. A solução obtida, em seguida, permite construir o campo próximo relevante para caracterizar o termo fonte para problemas de dispersão ao ajustar os parâmetros do modelo, tais como, emissividade, refletividade, albedo e outros, em comparação com a observação, que são relevantes para os processos de dispersão de campo distante e podem ser manipulados de forma independente do presente problema. Além do método de solução, também relatamos sobre algumas soluções e simulações numéricas. / In this contribution we present a solution for the radiative conductive transfer equation in cylinder geometry. This solution is applied to simulate the radiation and temperature field together with conductive and radiative energy transport originated from the exhaust released in rocket launches. To this end we discuss a semi-analytical approach reducing the original equation, which is continuous in the angular variables, into an equation similar to the SN radiative conductive transfer problem. The solution is constructed using a composite method by Laplace transform and Adomian decomposition method. The recursive scheme is presented for the doubly discrete ordinate equations system together with parameter dependencies and their influence on heuristic convergence of the solution. The obtained solution allows then to construct the relevant near field to characterize the source term for dispersion problems when adjusting the model parameters such as emissivity, reflectivity, albedo and others in comparison to the observation, that are relevant for far field dispersion processes and may be handled independently from the present problem. In addition to the solution method we also report some solutions and numerical simulations.

Medidas in situ na Bacia Amazônica mostraram uma grande variedade de partículas de aerossol provenientes principalmente de fontes biogênicas e de queimadas. Partículas de queimadas foram estudadas em detalhe e são compostas de misturas de partículas esféricas e não esféricas, e aglomerados de até milhares de esferas nanométricas de \"black carbon\" PC). A forma e a estrutura macroscópica das partículas de queimadas são determinadas pelo tipo de combustíve1 queimado, pel0 tipo de combustição e pela \"idade\" das partículas. A estrutura macroscópica das partículas muda em função de suas interações com vapor d\'água, gotas de nuvens e devido à condensação de gases em sua superfície (e.g. gases orgânicos e dióxido de enxofre). Partículas não esféricas e grandes aglomerados tornam-se mais compactos e esféricos em função de seu envelhecimento. Estes aglomerados foram encontrados apenas perto das fontes de queimadas em fase \"flaming\", o que sugere que a compactação dos aglomerados ocorre numa escala de tempo relativamente pequena após sua emissão (minutos até horas). Esta mudança de morfologia produz alterações significativas nas propriedades ópticas das partículas aumentando suas eficiências de absorção e espalhamento de radiação. Micrografias obtidas com microscopia eletrônica de varredura em filtros amostrados em paralelo com diversas outras medidas sugerem o efeito da morfologia nas propriedades ópticas das partículas. Propriedades intensivas das partículas foram medidas neste trabalho para partículas de queimadas e biogênicas. Apesar serem emitidas por fontes bastante distintas, as partículas de queimadas e biogênicas apresentaram importantes similaridades em composição química, tamanho, coeficientes de Angström e rações de retroespalhamento. Por outro lado, as eficiências de absorção e espalhamento assim como o albedo simples apresentaram diferenças significativas entre partículas provenientes das duas fontes. Uma nova metodologia foi desenvolvida neste trabalho para a obtenção da forçante radiativa direta (FRD) por partículas de aerossol usando imagens de sensoriamento remoto. Novos parâmetros das partículas de aerossol foram também definidos neste trabalho para o estudo de seu impacto radiativo. Medidas espectrais com o sensor AVIRIS (224 comprimentos de onda entre 0,38 e 2,5 µm) a bordo do avião ER2 da NASA durante o experimento SCAR-B (Smoke Clouds and Radiation-Brazil) foram utilizadas para a derivação do albedo simples, da espessura óptica e da FRD. Valores significativos da FRD foram obtidos entre 0,25 e 1,6 µm com pico de aproximadamente -200 W m-2µm-1 para um comprimento de onda da ordem de 0,5 µm, por unidade de espessura óptica (valores de em = 0.66 µm). A integral da FRD ao longo do espectro solar é da ordem de -60 w m-2 em média para uma região de superfície heterogênea (incluindo áreas urbanas e vegetação) em Cuiabá. A FRD sobre áreas urbanas se mostrou significativamente menor que em áreas de vegetação devido à sua maior reflectância de superfície. / In situ measurements in the Amazon Basin showed a large variety of aerosol particles in the atmosphere due mainly to biogenic and biomass burning sources. Particles from biomass burning are generally composed of a mixture of spherical and non-spherical particles, and chain aggregates of thousands of tiny black carbon (BC) spherules. The morphology and structure of smoke particles from biomass burning are determined by the type of fuel, the phase of combustion, and the age of the smoke. This structure changes due to interactions with water vapor, cloud droplets and due to condensation of gases on its surface (eg. sulfates and organic gases). Non-spherical and large (tens of micrometers) fluffy aggregates become more compacted and increasingly spherical with age. They are generally found only near the source of flaming-phase combustion, which suggests that particle compaction occurs in a relatively short time (likely, few hours) after release from a biomass fire. This change in morphology produces a significant change in the optical properties of these particles, enhancing its absorption and scattering cross sections. Scanning electron microscope photographs of aerosol particles from biomass burning taken in parallel with other physical measurements show correlation between morphology and the absorption coefficients suggesting the effect of the particle shape on optical properties. Intensive microphysical properties of the particles were measured and modeled in this work for biomass burning and biogenic aerosols. Despite of completely distinct sources, biogenic and biomass burning aerosols show some important similarities in chemical composition and particle sizes. Angström coefficients and backscattering ratios of biogenic aerosols were also found in the same range as biomass burning particles, but the scattering and absorption efficiencies, as well as single scattering albedo showed significantly different values. A new methodology was developed to obtain the spectral direct radiative forcing (DRF) by aerosol particles using remote sensing images and new parameters were defined in this work to access the radiative impact of the aerosols. Spectral measurements with the AVIRIS spectrometer (224 wavelengths between 0.38 and 2.5 µm) onboard the NASA-ER2 aircraft during the SCAR-B experiment (Smoke Clouds and Radiation -Brazil) have been used in this work to derive the spectral single scattering albedo of the aerosol particles, the aerosol optical thickness, and .the DRF.Significant values of spectral direct radiative forcing were found between 0,25 and 1.6 µm with a peak about -200 W m-2 µm-1 for a wavelength around 0.5 µm, per unity of optical depth (optical depth values at 0.66 µm). The integral over the whole solar spectrum averaged over heterogeneous surfaces (urban areas and vegetation) is about -60 W m-2 for the studied region (Cuiabá). The DRF over urban areas is smaller than over vegetation due to its brighter surface reflectance.

Medidas in situ na Bacia Amazônica mostraram uma grande variedade de partículas de aerossol provenientes principalmente de fontes biogênicas e de queimadas. Partículas de queimadas foram estudadas em detalhe e são compostas de misturas de partículas esféricas e não esféricas, e aglomerados de até milhares de esferas nanométricas de \"black carbon\" PC). A forma e a estrutura macroscópica das partículas de queimadas são determinadas pelo tipo de combustíve1 queimado, pel0 tipo de combustição e pela \"idade\" das partículas. A estrutura macroscópica das partículas muda em função de suas interações com vapor d\'água, gotas de nuvens e devido à condensação de gases em sua superfície (e.g. gases orgânicos e dióxido de enxofre). Partículas não esféricas e grandes aglomerados tornam-se mais compactos e esféricos em função de seu envelhecimento. Estes aglomerados foram encontrados apenas perto das fontes de queimadas em fase \"flaming\", o que sugere que a compactação dos aglomerados ocorre numa escala de tempo relativamente pequena após sua emissão (minutos até horas). Esta mudança de morfologia produz alterações significativas nas propriedades ópticas das partículas aumentando suas eficiências de absorção e espalhamento de radiação. Micrografias obtidas com microscopia eletrônica de varredura em filtros amostrados em paralelo com diversas outras medidas sugerem o efeito da morfologia nas propriedades ópticas das partículas. Propriedades intensivas das partículas foram medidas neste trabalho para partículas de queimadas e biogênicas. Apesar serem emitidas por fontes bastante distintas, as partículas de queimadas e biogênicas apresentaram importantes similaridades em composição química, tamanho, coeficientes de Angström e rações de retroespalhamento. Por outro lado, as eficiências de absorção e espalhamento assim como o albedo simples apresentaram diferenças significativas entre partículas provenientes das duas fontes. Uma nova metodologia foi desenvolvida neste trabalho para a obtenção da forçante radiativa direta (FRD) por partículas de aerossol usando imagens de sensoriamento remoto. Novos parâmetros das partículas de aerossol foram também definidos neste trabalho para o estudo de seu impacto radiativo. Medidas espectrais com o sensor AVIRIS (224 comprimentos de onda entre 0,38 e 2,5 µm) a bordo do avião ER2 da NASA durante o experimento SCAR-B (Smoke Clouds and Radiation-Brazil) foram utilizadas para a derivação do albedo simples, da espessura óptica e da FRD. Valores significativos da FRD foram obtidos entre 0,25 e 1,6 µm com pico de aproximadamente -200 W m-2µm-1 para um comprimento de onda da ordem de 0,5 µm, por unidade de espessura óptica (valores de em = 0.66 µm). A integral da FRD ao longo do espectro solar é da ordem de -60 w m-2 em média para uma região de superfície heterogênea (incluindo áreas urbanas e vegetação) em Cuiabá. A FRD sobre áreas urbanas se mostrou significativamente menor que em áreas de vegetação devido à sua maior reflectância de superfície. / In situ measurements in the Amazon Basin showed a large variety of aerosol particles in the atmosphere due mainly to biogenic and biomass burning sources. Particles from biomass burning are generally composed of a mixture of spherical and non-spherical particles, and chain aggregates of thousands of tiny black carbon (BC) spherules. The morphology and structure of smoke particles from biomass burning are determined by the type of fuel, the phase of combustion, and the age of the smoke. This structure changes due to interactions with water vapor, cloud droplets and due to condensation of gases on its surface (eg. sulfates and organic gases). Non-spherical and large (tens of micrometers) fluffy aggregates become more compacted and increasingly spherical with age. They are generally found only near the source of flaming-phase combustion, which suggests that particle compaction occurs in a relatively short time (likely, few hours) after release from a biomass fire. This change in morphology produces a significant change in the optical properties of these particles, enhancing its absorption and scattering cross sections. Scanning electron microscope photographs of aerosol particles from biomass burning taken in parallel with other physical measurements show correlation between morphology and the absorption coefficients suggesting the effect of the particle shape on optical properties. Intensive microphysical properties of the particles were measured and modeled in this work for biomass burning and biogenic aerosols. Despite of completely distinct sources, biogenic and biomass burning aerosols show some important similarities in chemical composition and particle sizes. Angström coefficients and backscattering ratios of biogenic aerosols were also found in the same range as biomass burning particles, but the scattering and absorption efficiencies, as well as single scattering albedo showed significantly different values. A new methodology was developed to obtain the spectral direct radiative forcing (DRF) by aerosol particles using remote sensing images and new parameters were defined in this work to access the radiative impact of the aerosols. Spectral measurements with the AVIRIS spectrometer (224 wavelengths between 0.38 and 2.5 µm) onboard the NASA-ER2 aircraft during the SCAR-B experiment (Smoke Clouds and Radiation -Brazil) have been used in this work to derive the spectral single scattering albedo of the aerosol particles, the aerosol optical thickness, and .the DRF.Significant values of spectral direct radiative forcing were found between 0,25 and 1.6 µm with a peak about -200 W m-2 µm-1 for a wavelength around 0.5 µm, per unity of optical depth (optical depth values at 0.66 µm). The integral over the whole solar spectrum averaged over heterogeneous surfaces (urban areas and vegetation) is about -60 W m-2 for the studied region (Cuiabá). The DRF over urban areas is smaller than over vegetation due to its brighter surface reflectance.

Esta pesquisa consiste na solução do problema inverso de transferência radiativa para um meio participante (emissor, absorvedor e/ou espalhador) homogêneo unidimensional em uma camada, usando-se a combinação de rede neural artificial (RNA) com técnicas de otimização. A saída da RNA, devidamente treinada, apresenta os valores das propriedades radiativas [ω, τ0, ρ1 e ρ2] que são otimizadas através das seguintes técnicas: Particle Collision Algorithm (PCA), Algoritmos Genéticos (AG), Greedy Randomized Adaptive Search Procedure (GRASP) e Busca Tabu (BT). Os dados usados no treinamento da RNA são sintéticos, gerados através do problema direto sem a introdução de ruído. Os resultados obtidos unicamente pela RNA, apresentam um erro médio percentual menor que 1,64%, seria satisfatório, todavia para o tratamento usando-se as quatro técnicas de otimização citadas anteriormente, os resultados tornaram-se ainda melhores com erros percentuais menores que 0,04%, especialmente quando a otimização é feita por AG. / This research consists in the solution of the inverse problem of radiative transfer for a participating media (emmiting, absorbing and/or scattering) homogeneous one-dimensional in one layer, using the combination of artificial neural network (ANN), with optimization techniques. The output of the ANN, properly trained presents the values of the radiative properties [w, to, p1 e p2] that are optimized through the following techniques: Particle Collision Algorithm (PCA), Genetic Algorithm (GA), Greedy Randomized Adaptive Search Procedure (GRASP) and Tabu Search (TS). The data used in the training are synthetics, generated through the direct problem without the introduction of noise. The results obtained by the (ANN) alone, presents an average percentage error minor than 1,64%, what it would be satisfying, however, for the treatment using the four techniques of optimization aforementioned, the results have become even better with percentage errors minor than 0,03%, especially when the optimization is made by the GA.

Esta pesquisa consiste na solução do problema inverso de transferência radiativa para um meio participante (emissor, absorvedor e/ou espalhador) homogêneo unidimensional em uma camada, usando-se a combinação de rede neural artificial (RNA) com técnicas de otimização. A saída da RNA, devidamente treinada, apresenta os valores das propriedades radiativas [ω, τ0, ρ1 e ρ2] que são otimizadas através das seguintes técnicas: Particle Collision Algorithm (PCA), Algoritmos Genéticos (AG), Greedy Randomized Adaptive Search Procedure (GRASP) e Busca Tabu (BT). Os dados usados no treinamento da RNA são sintéticos, gerados através do problema direto sem a introdução de ruído. Os resultados obtidos unicamente pela RNA, apresentam um erro médio percentual menor que 1,64%, seria satisfatório, todavia para o tratamento usando-se as quatro técnicas de otimização citadas anteriormente, os resultados tornaram-se ainda melhores com erros percentuais menores que 0,04%, especialmente quando a otimização é feita por AG. / This research consists in the solution of the inverse problem of radiative transfer for a participating media (emmiting, absorbing and/or scattering) homogeneous one-dimensional in one layer, using the combination of artificial neural network (ANN), with optimization techniques. The output of the ANN, properly trained presents the values of the radiative properties [w, to, p1 e p2] that are optimized through the following techniques: Particle Collision Algorithm (PCA), Genetic Algorithm (GA), Greedy Randomized Adaptive Search Procedure (GRASP) and Tabu Search (TS). The data used in the training are synthetics, generated through the direct problem without the introduction of noise. The results obtained by the (ANN) alone, presents an average percentage error minor than 1,64%, what it would be satisfying, however, for the treatment using the four techniques of optimization aforementioned, the results have become even better with percentage errors minor than 0,03%, especially when the optimization is made by the GA.