Anthropogenic emissions of greenhouse gases are causing the Earths temperature to rise at an unprecedented rate. In this scenario, the Amazon rainforest stands out for its essential environmental services, such as carbon storage and regulation of global biogeochemical cycles. It is, therefore, vital to understand the key processes that keep the forest alive. Scientists have shown that Amazonian soils depend on the long-range transport of nutrients, such as phosphorus, to meet the needs of vegetation. This transport occurs through atmospheric rivers in the free troposphere. However, how these atmospheric rivers penetrate the planetary boundary layer (PBL) remains unclear. This study aims to take a first step towards filling this knowledge gap by investigating the exchange of trace gases between the free troposphere and the PBL in the Amazon region. The investigation was supported by several datasets from the Amazon Tall Tower Observatory (ATTO), which provided data on gas concentrations and meteorological parameters at different heights above and within the rainforest canopy. The study also used the recently established Campina site, which is equipped with a wide range of radars and in-situ measurements of cloud-related parameters. The combination of measurements of vertical gas profiles and atmospheric dynamics provides a unique insight into the variability of gas concentrations in the Amazon region. Two recent campaigns have been used to study the gas variability: CloudRoots during the dry season and CAFE-BRAZIL during the wet season. First, a general characterization of shallow, congestus, and deep convective clouds during the dry and wet seasons was performed. Significant differences in cloud characteristics were observed between the two seasons. The main differences are the deeper clouds during the rainy season and the role of the precipitable water vapor (PWV), which defines the cloud activity during the dry season but has similar values for all cloud types during the wet season. The variability of the gas concentration during cloud cover events was then investigated for different cloud types. A careful analysis showed that deep clouds have the greatest influence on surface concentrations of trace gases, especially O3 and CO2. A case study showed that the observed variations in these gas concentrations during a deep convective event are mainly caused by air transport from higher altitudes to the PBL. The results of this study indicated relevant differences in the processes driving CO and black carbon concentrations during the two seasons. The synoptic pattern is crucial for trace gas variability during the dry season. Finally, variability during non-rain events was investigated using model simulations from MesoNH to assess the potential contribution of convection-generated gravity waves in transporting air masses from the free troposphere into the PBL. The results indicate that gravity waves induce fluctuations in the water vapor field in the PBL. This effect could explain fluctuations in trace gas concentrations as squall lines approach.

As emissões antropogênicas de gases de efeito de estufa estão causando o aumento da temperatura da Terra em um ritmo sem precedentes. Neste cenário, a floresta amazônica destaca-se pelos seus serviços ambientais prestados, como o armazenamento de carbono e a regulação dos ciclos biogeoquímicos globais. É, portanto, vital compreender os processos que mantêm a floresta viva. Cientistas demonstraram que o solo da Amazônia depende do transporte de longa distância de nutrientes para suprir as necessidades da vegetação, como é o caso do fósforo. Esse transporte ocorre através de rios atmosféricos na troposfera livre. No entanto, pouco se sabe sobre como esses rios atmosféricos penetram na camada limite planetária (CLP). Este estudo tem como objetivo dar um primeiro passo para preencher esta lacuna de conhecimento, investigando a troca de gases traço entre a troposfera livre e a CLP na região amazônica. A investigação foi apoiada por vários conjuntos de dados obtidos na torre ATTO (Amazon Tall Tower of Observations), sobre concentrações de gases e parâmetros meteorológicos em diferentes alturas acima e dentro da copa da floresta. O estudo também utilizou o recém estabelecido sítio experimental da Campina, que está equipado com uma vasta gama de radares e medições in-situ de parâmetros relacionados com as nuvens. A combinação de medições de perfis verticais de gases e da dinâmica atmosférica proporciona uma visão única da variabilidade das concentrações de gases na região amazônica. Duas campanhas recentes foram utilizadas para estudar a variabilidade dos gases: CloudRoots durante a estação seca e CAFE-BRASIL durante a estação chuvosa. Primeiro, foi realizada uma caracterização geral das nuvens convectivas rasas, congestus e profundas durante as estações seca e chuvosa. Foram observadas diferenças significativas nas características das nuvens entre as duas estações. As principais diferenças são as nuvens mais profundas durante a estação das chuvas e o papel do vapor de água precipitável (PWV), que define a atividade das nuvens durante a estação seca, mas tem valores semelhantes para todos os tipos de nuvens durante a estação das chuvas. Em seguida foi investigada a variação na concentração de gases durante a cobertura de diferentes tipos de nuvens. Uma análise cuidadosa mostrou que as nuvens profundas têm a maior influência nas concentrações superficiais de gases traço, especialmente no Ozônio e Dióxido de Carbono. Um estudo de caso mostrou que as variações observadas nas concentrações destes gases durante um evento convectivo profundo são principalmente causadas pelo transporte de ar de altitudes mais elevadas para a CLP. Além disso, os resultados deste projeto indicaram diferenças relevantes nos processos que determinam as concentrações de CO e de carbono negro durante as estações seca e chuvosa. O padrão sinótico se mostrou crucial para a variabilidade destes compostos durante a estação seca. Por fim, as variações significativas dos gases que ocorreram desatreladas a precipitação foram investigadas utilizando simulações do modelo MesoNH, com intuito de avaliar a potencial contribuição das ondas de gravidade geradas por convecção no transporte de massas de ar da troposfera livre para a CLP. Os resultados indicam que as ondas de gravidade induzem flutuações no campo de vapor de água na CLP. Este efeito pode estar relacionado às flutuações das concentrações de gases traço à medida que as linhas de tempestade se aproximam.