Dissertação/Tese CEMA: Electronic Environmental Monitoring Chamber - PPGPV

Maiores concentrações atmosféricas de gases do efeito estufa estão associadas ao aumento da temperatura global. A redução das emissões e a proteção de áreas naturais, conhecidamente estocadoras de carbono, são estratégias de mitigação e adaptação frente às mudanças climáticas. Nesse contexto, o solo representa um compartimento vulnerável para a perturbação do balanço de carbono, através da translocação de gases para a atmosfera. Assim, o monitoramento de áreas naturais é fundamental para o inventário e o adequado manejo dos estoques de carbono. No entanto, equipamentos que mensuram a concentração de gases do efeito estufa, que sejam robustos e portáteis, são expressivamente custosos. Sendo assim, o objetivo principal desse estudo foi planejar, construir e validar a Câmara Eletrônica de Monitoramento Ambiental (CEMA), um dispositivo portátil de baixo custo, com rigor científico, capaz de medir parâmetros meteorológicos e concentração de gases do efeito estufa através de uma câmara manual de fluxo, com base em sistema de código aberto. Dentre os parâmetros registrados estão: pressão atmosférica (hPa), temperatura do ar (oC), temperatura do solo (oC), temperatura de ponto de orvalho (oC) e umidade relativa do ar (%). Além das concentrações de dióxido de carbono (ppm) e de metano (ppm), registradas por dois pares de sensores. Luminosidade (lux) e temperatura do ar (oC), foram registrados em paralelo. O gerenciamento dos dados foi feito através de micro controladores, instalados em dois circuitos eletrônicos, conectados via Bluetooth. Após a construção da CEMA, os dois sensores de gás carbônico foram validados em paralelo com um micro analisador de gases de efeito estufa (GLA132-GGA, Los Gatos, USA), com ambos apresentando alta correlação (r2 = 0.994 e r2 = 0.996). A CEMA foi utilizada entre setembro e dezembro de 2023, em 6 campanhas, para monitoramento de emissões de GEE no solo, na região da Chapada do Couto, próximo à divisa do Parque Estadual do Rio Preto. Cada ciclo de leituras foi baseado em três condições ambientais: Câmara transparente sob vegetação, mensurando Emissão Líquida (NEE); Câmara escura sob vegetação, para estimativa da Respiração do Ecossistema (ER) e Câmara escura sob solo desnudo, estimando a Respiração Heterotrófica (Rh). E foram calculados a Produção Primária Bruta (GPP), a Produção Primária Líquida (NPP) e a Respiração Autotrófica (Ra). Foram monitoradas duas turfeiras, Rio Preto (preservada, dentro dos limites do parque), que apresentou emissões mais estáveis para todos os parâmetros avaliados, e Araçuaí (antropizada, fora do parque), que registrou maiores taxas de respiração ecossistêmica. A comparação dos dois sensores de gás carbônico, para todos os parâmetros avaliados, apresentou resultados similares. Ambas as turfeiras apresentaram altas razões de eficiência no uso do carbono, maiores na turfeira preservada, reforçando os benéficos da manutenção dos principais serviços ambientais, de estoque de carbono e água, dessas turfeiras. A CEMA provou-se eficiente no uso em áreas remotas, sendo viável sua aplicação em outros ambientes.

Higher atmospheric concentrations of greenhouse gases (GHG) are associated with the increase in global temperatures. Reducing emissions and protecting natural areas, known for their carbon storage capabilities, are strategies for mitigation and adaptation in the face of climate change. In this context, soil represents a vulnerable compartment for the disturbance of the carbon balance through the translocation of gases to the atmosphere. Therefore, monitoring natural areas is fundamental for the inventory and proper management of carbon stocks. However, equipment that measures greenhouse gas concentrations, which are robust and portable, are significantly costly. Thus, the main objective of this study was to design, build, and validate the Environmental Monitoring Electronic Chamber (CEMA), a low-cost, portable device with scientific rigour, capable of measuring meteorological parameters and greenhouse gas concentrations through a manual flux chamber, based on an open-source system. Among the parameters recorded are: atmospheric pressure (hPa), air temperature (oC), soil temperature (oC), dew point temperature (oC), and relative humidity (%). Additionally, the concentrations of carbon dioxide (ppm) and methane (ppm) were recorded by two pairs of sensors. Light intensity (lux) and air temperature (oC) were recorded by a datalogger in parallel. Data management was performed using microcontrollers installed in two electronic circuits connected via Bluetooth. After the construction of the CEMA, the two carbon dioxide sensors were validated in parallel with a greenhouse gas analyser (GLA132-GGA, Los Gatos, USA), with both showing high correlation (r2 = 0.994 and r2 = 0.996).The CEMA was used between September and December 2023, in six campaigns, to monitor GHG emissions in the soil in the Chapada do Couto region, near the border of the Parque Estadual do Rio Preto. Each reading cycle was based on three environmental conditions: transparent chamber over vegetation, measuring Net Ecosystem Exchange (NEE); dark chamber over vegetation, to estimate Ecosystem Respiration (ER); and dark chamber over bare soil, estimating Heterotrophic Respiration (Rh). Gross Primary Production (GPP), Net Primary Production (NPP), and Autotrophic Respiration (Ra) were calculated. Two peatlands were monitored: Rio Preto (preserved, within park limits), which showed more stable emissions for all evaluated parameters, and Araçuaí (anthropized, outside the park), which recorded higher rates of ecosystem respiration. The comparison of the two carbon dioxide sensors for all evaluated parameters showed similar results. Both peatlands exhibited high carbon use efficiency ratios, higher in the preserved peatland, reinforcing the benefits of maintaining the key environmental services of carbon and water storage, provided by these peatlands. The CEMA proved to be efficient for use in remote areas, demonstrating its feasibility for application in other environments.