Transcript aula_13maio08_fatima - Departamento de Ciências Atmosféricas

IAG, 13 de maio de 2008
Poluição do ar
Maria de Fátima Andrade
Departamento de Ciências Atmosféricas
Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas
Universidade de São Paulo
28/04/2003 Caio Guatelli/Folha Imagem
Historicamente
A preocupação com o ar que respiramos não é
um fenômeno recente
“Comparing the air of cities to the air of deserts
and arid lands is like comparing waters that
are befouled and turbid to waters that are fine
and pure”
Moses Maimonides (1135-1204)
- Século 13
- Século 17
Carvão substituiu a
“It is horrid smoake which
madeira no uso
obscures our Church and
doméstico e industrial makes our palaces look old,
which fouls our cloth and
corrupts the waters, so as the
very rain, and refreshing dews
which fall in the several
seasons, precipitate to impure
vapour, which, with its black
and tenacious quality, spots,
contaminates whatever is
exposed to it.”
London Smog
John Evelyn
Eventos de excesso de óbitos associados ao “smog”
Ano
Lugar
1930
1948
1952
1962
Vale do Meuse, Bélgica
Donora, Pensilvânia
Londres
Londres
Número de óbitos em
excesso
63
20
4000
700
O episódio de 1952 em Londres: relação
entre concentração e óbitos
Episódio de 1962 confirmado pela presença de
aerossóis ácidos: como ácido sulfúrico ou
bissulfato de amônio
Aspectos históricos da Poluição do ar por compostos de
enxofre em Londres e fotoquímico em Los Angeles
Características
Identificação
Poluentes
primários
Poluentes
secundários
Temperatura
Umidade Relativa
Tipo de inversão
Picos de Poluição
do ar
Compostos sulfurosos Fotoquímico
Séculos atrás
Em torno de 1940
SO2, partículas de
COV, NOx
fuligem
H2SO4, sulfato, aerossóis O3, PAN, HNO3, aldeídos, nitrato e
sulfato particulado
Frio (<2oC)
Quente (>23oC)
Alta, com nebulosidade
Baixa
Radiativa (solo)
Subsidência
Manhã cedo
Tarde para noite
Adaptado de Fynlayson Pitts & Pitts, 1999
Composição do ar ao nível do mar
Gás
Concentração
Tempo de
média (ppm)
residência
Ciclo
_________________________________________________________________
Ar
0,934
---
nenhum
(Acumulados
Ne
18
---
"
ao longo da
Kr
1,1
---
"
história da
Xe
0,09
---
"
Terra)
N2
780.840
106 anos
( biológico e
O2
209.460
10
microbiológico )
H2O
variável
até 30
de chuvas, etc
CH4
1,65
7 anos
biogênico
CO2
332
15 "
antropogênico e biogênico
CO
0,05-0,2
65 dias
antropogênico
H2
0,58
10 anos
N2O
0,33
"
SO2
10 -10
-5
-4
"
?
?
"
40 dias
antropogênico e químico
A composição da atmosfera terrestre é única em todo sistema solar
Terra: 78,08% de Nitrogênio, 20,95% de Oxigênio e 0,93% de Argônio
Vênus & Marte: Predominância do Dióxido de Carbono
Gigantes gasosos: Principalmente Hidrogênio e Hélio
O oxigênio na atmosfera
A transição da atmosfera primitiva redutora, sem oxigênio, para uma
atmosfera oxidante que sustente a vida para grandes organismos foi,
inquestionavelmente, o estágio mais importante da evolução da atmosfera
terrestre.
O ozônio
O ozônio foi formado, devido à dissociação fotoquímica das moléculas de
oxigênio pela radiação ultravioleta. A camada de ozônio originada ofereceu a
proteção necessária contra radiação ultravioleta, permitindo o desenvolvimento
de vida na superfície.
O ozônio
A teoria de Gaia
A presença de oxigênio molecular na atmosfera é instável, devida a
propriedade do oxigênio reagir (oxidar) com várias moléculas e compostos.
Por exemplo, o dióxido de carbono é a forma totalmente oxidada do carbono.
Ao contrário das atmosferas presentes em outros planetas do sistema solar,
a da Terra não se encontra em equilíbrio químico, pois as concentrações de
N2, O2, CH4, N2O e NH3 são muito maiores do que deveriam ser para se obter
o perfeito equilíbrio.
Isso se deve aos processos biológicos, uma vez que os quatro mais
abundantes elementos químicos presentes atmosfera (nitrogênio,
oxigênio, hidrogênio e carbono) também são os mais abundantes da
biosfera.
A teoria de Gaia
Há uma crescente evidência de que a composição da atmosfera terrestre é,
em alto grau, sob o controle da biosfera marítima e terrestre.
O nível de 20% de oxigênio na atmosfera é, por exemplo, resultado da
atividade fotossintética. Outros ciclos químicos como o do nitrogênio e do
carbono são também biologicamente mediados.
O impacto das atividades humanas
Há mais de 2000 anos que as atividades humanas vêm causando
alterações ambientais em larga escala, como o desflorestamento em massa
e a modificação química dos solos produzida pelas culturas de plantas, mas
foi o desenvolvimento industrial nos últimos séculos que causou as
mudanças mais drásticas na constituição química da atmosfera, em escala
regional e global.
O impacto das atividades humanas
Altos níveis de poluição são reportados em regiões industrializadas como o
norte da América, Europa e Ásia; nas últimas décadas, os países em
desenvolvimento também tiveram significante participação nessa
perturbação.
O impacto das atividades humanas
Influências climáticas causadas pelas crescentes emissões de gases
radiativamente ativos como CO2, CH4, N2O e clorofluorcarbonos, além de
mudanças na quantidade atmosférica de aerossóis e do ozônio
estratosférico e troposférico, são significantes.
Composição da Atmosfera
CH3OOH
H2
Nitrogênio
500
H2O2
500
Etano
500
NH3
400
HCHO
HNO3
300
300
SO2
NOx
200
100
78%
CO2
380
N2O
310
Ne
Oxigênio 20%
He (5)
1%
CH4 (1.8)
H2O
Argonio
700
CO
100
18
Ozônio
ppm
30
ppb
outros
ppt
Adaptado de Seinfeld e Pandis, 1998
Escalas temporal e espacial da variabilidade
dos constituintes atmosféricos
Degradação na Qualidade do Ar
• Poluição global do ar resultante da
combustão industrial e queima de biomassa.
• Aumento da abundância de oxidantes
troposféricos (incluindo ozônio) e impactos
relacionados na biosfera e saúde humana.
• Aumento das concentrações de aerossois e
impacto na saúde e no clima
POLUENTE - qualquer substância presente no ar e
que pela sua concentração possa torná-lo impróprio,
nocivo ou ofensivo à saúde, inconveniente ao bem-estar
público, danoso aos materiais, à fauna e à flora ou
prejudicial à segurança, ao uso e gozo da propriedade
e às atividades normais da comunidade.
Fontes antropogênicas:
- queima de combustíveis fósseis (NOx, SO2, CO, HC)
- processos industriais em geral (SO2, NH3, NOx, Cl, MP)
- agricultura (MP, NH3, etc).
Fontes naturais de poluentes do ar:
- erupções vulcânicas - poeira, vapor de mercúrio, ácido
clorídrico (HCl) e ácido sulfídrico (H2S);
- emissão biogênica de compostos orgânicos reativos por
florestas, grandes plantações e matas em geral.
- queimadas de florestas - dióxido de carbono (CO2) e
compostos orgânicos;
Poluentes primários – são emitidos diretamente da fonte
para o ar. Exemplos: SO2, NO, NO2, COV, CO, material
particulado.
Poluentes secundários – formados a partir de reações
químicas. Exemplos:H2SO4, NO2, PAN, H2O2, O3.
Poluentes atmosféricos:
O3 (ozônio)
SO2 (dióxido de enxofre)
CO (monóxido de carbono)
MP (material particulado)
NOx (NO + NO2, óxidos de nitrogênio)
Principais fontes
de MP, CO, SO2 e
NOx
Efeitos do CO no ser humano: (1) Morte; (2) Coma; (3) Vômitos e colapso; (4) dor de cabeça forte;
(5) dor de cabeça, redução da acuidade mental; (6) nenhum sintoma.
Efeitos do SO2 no ser humano: (1) aumento de doenças cardiovasculares; (2) aumento de
admissões hospitalares; (3) aumento de incidência cardio-respiratórias; (4) deterioração da
saúde em pacientes com bronquite; (5) aumento da taxa mortalidade em Londres; (6)
mudanças nas taxas respiratórias e de pulsação; (7) morbidade no homem; (8) mortalidade
no homem; (9) morbidade em animais; (10) mortalidade em animais; (11) limiar do paladar;
(12) limiar do olfato; (13) aumento da resistência à passagem de ar.
Efeitos já relacionados com a poluição
do ar:
•Redução da função pulmonar em
adultos e crianças
•Inflamação das vias aéreas
•Aumento das crises de asma
•Aumento de internações e visitas
hospitalares
•Aumento na incidência de
mortalidade
Padrões Nacionais de Qualidade do Ar
Rede Telemétrica da CETESB
Inventário de emissões para poluentes na RMSP
Inventário de poluentes locais na
RMSP
População e Número de Veículos
Região Metropolitana de São Paulo
20000000
18000000
16000000
14000000
12000000
10000000
8000000
6000000
4000000
2000000
0
1980
1991
2000
2006
Population
12.588.725
15.444.941
17.878.703
19.000.000
Number of vehicles
1.000.000
3.200.000
6.000.000
7.000.000
Ano
Emissões de gases
estufa em 2000.
A emissão de CO2
(excluindo uso do
solo) para o Estado de
São Paulo foi de 83
milhões t CO2 em 2003,
que o tornaria o 39º
maior emissor de CO2.
Fonte: World Resources
Institute, 2005.
Variações nas emissões de CO2 (excluindo uso do solo) desde
1990 por unidade de produto interno bruto e per capita.
(Fonte SMA)
Comparação Outras Cidades
Cidade
Ano Base
Emissões de
CO2
(GgCO2eq)
População
(no de
habitantes)
Emissão per
capita (t
CO2eq/hab)
São Paulo
2002
37400
17000000
2,2
Rio de
Janeiro
1998
13263
5633407
2,3
Cidades médias
americanas
1990
9953
443612
22,4
Los Angeles
1990
32133
3485398
9,2
Chicago
1990
22848
2783726
8,2
Toronto
1988
28300
3898933
7,3
4520
468531
9,6
Cidades médias
européias
Berlim
1990
30926
3471418
8,9
Roma
1993
13923
2693383
5,2
Fonte: ICLEI (1997)
Século XX
Crescimento das Mega-cidades
População em bilhões de habitantes
10
8
6
4
2
0
1950
1975
Mundial
2000
urbana
2003
rural
2030
As dez maiores mega-cidades no ano 2000:
1. Tokio, Japão 26,4 milhões
2. Mexico City, México 18,4 milhões
3. Bombay, India 18,1 milhões
4. São Paulo, Brasil 17,8 milhões
5. Shanghai, China 17,0 milhões
6. New York City, USA 16,6 milhões
7. Lagos, Nigeria 13,4 milhões
8. Los Angeles, USA 13,1 milhões
9. Calcutta, India 12,9 milhões
10. Buenos Aires, Argentina 12,6 milhões
Existem atualmente 23 megacidades
distribuídas mundialmente
Problemas de Poluição do ar em Megacidades
Cidade
Bankoc
Beijing
Bombai
Buenos Aires
Cairo
Calcutá
Deli
Jacarta
Karachi
Londres
Los Angeles
Manila
Cidade do México
Moscou
Nova York
Rio de Janeiro
São Paulo
Seul
Shangai
Tokio
Poluente
SO2
X
XXX
X
CO
NO2
X
X
X
O3
X
XX
Pb
XX
X
X
X
XXX
X
X
XX
XXX
X
X
XX
XX
X
X
X
X
X
MP
XXX
X
XXX
X
XXX
XX
XX
XXX
X
X
XXX
X
X
X
XXX
X
XX
X
XX
XXX
X
XXX
X
XX
X
X
X
X
XX
XX
XXX
XX
X
XXX
XXX
XXX
XX
XXX
XXX
XX
XX
XX
X
XX
X
XX
X
XX
X
XX
X
XX
XX
XXX
XX
XXX
X
X
X
XXX
XX
XXX
X
X
X
XXX
X
Baseado em Mage (1996); xxx significa que os padrões da WHO para o poluente
foram excedidos por mais que um fator 2, xx significa que eles foram excedidos
por até um fator 2, e x significa que os padrões não foram ultrapassados, e branco
significa que não há dados suficientes.
From: Steffen et al. 2004
From: Steffen et al. 2004
Exemplos de poluentes com impacto local e regional
Produção, crescimento e remoção de aerossóis atmosféricos
Figura adaptada de Jacob D., 1999
Risco de Resposta para as causas de mortalidade no estudo ACS
Re-análise de estudos de cohort nos EUA
Fonte: HEI 2000
Partículas Finas microscópicas podem
ter acesso ao aparelho respiratório
Filtros de PM10 limpos
e sujos
Deposição calculada para partículas em várias regiões do pulmão para um
aerossol polidisperso (com diâmetro geométrico de 2,5 um). Figura adaptada de
Yeh et al., 1996
Partículas de
Aerossol
Courtesy of
U. Lohmann
Composição de partículas individuais
Aluminosilicato
Cloreto
Sulfato
Biogênica
Aerossol
advectado
Oxidação fase
gasosa
fotoxidação
1
C elem
C org
Pb
Zr
Sr
Rb
Br
Se
Zn
Cu
Ni
Fe
Mn
Cr
V
Ti
Ca
K
Cl
S
P
Si
Al
Mg
Concentração (ng/m3)
10000
verão
inverno
1000
100
10
Elemento
Tese de Regina M. Miranda, 2001
Direct Observations of Aerosols
Smoke Clouds from wild fires near Sydney (Dec. 2001)
A „Atmospheric Brown Cloud“
Uma camada de 3km de poeira sobre a Asia
causando problemas de saude e
efeitos de mudanças climáticas
Efeito direto do aerossol
Pluma de aerossol se extendendo do Himalaia ao oceano
Indico
MODIS true-color Satellite Image (29/04/02)
(From: http://visibleearth.nasa.gov)
Ozônio Troposférico
Química Básica do Ozônio
NO2 + h —> NO + O
O + O2 +M —> O3 +M
O3 + NO —> NO2 + O2
HC tem o importante papel na oxidação
de NO a NO2
Ibirapuera 12-13 de agosto de 1999
1000
900
NO
700
600
500
400
300
NO2
200
O3
Hora Local
47
45
43
41
39
37
35
33
31
29
27
25
23
21
19
17
15
13
11
9
7
5
0
3
100
1
Concentração em ug/m3
800
Combustão
•Idealmente
Combustível + ar —> CO2 + H2O + calor
•Na realidade
Combustível + ar —> CO2 + H2O + CO
+SO2 + NOx + Partículas+ calor+
combustível não queimado
(hidrocarbonetos)
Problemas Ambientais Globais
• Degradação da qualidade da água e do ar
• Mudanças Climáticas resultantes de
variações na composição atmosférica
• Impacto climático e ambiental resultado de
mudanças no uso do solo
• Perturbações nos ciclos biogeoquímicos do
carbono, nitrogenio, enxofre, etc.
• Diminuição do ozônio estratosférico
Emissões Globais x Emissões Locais
Principais gases de efeito estufa – efeitos
globais:
CO2, CH4, N20, O3, CFCs
Outros Poluentes atmosféricos – efeitos
Locais (e possuem legislação para padrão de
concentração):
CO, HC, NOx, SO2, MP, O3, etc.
Redução das emissões atmosféricas:
efeitos globais x efeitos locais
Globais - Redução do aumento do efeito estufa –
Menores impactos sobre o aquecimento global,
mudanças climáticas locais, biota, elevação do nível
das águas, agricultura, inundações pluviosidade, etc.
Locais – Redução dos impactos sobre a saúde
(morbidade, mortalidade), estruturas, vegetação,
trânsito, segurança veicular (acidentes), visibilidade
(smog) etc.
Riscos ambientais associados ao consumo de energia:
• efeito estufa –produção excessiva de CO2 –pode
afetar o clima do planeta
• contaminação do ar das cidades pela indústria e
pelos meios de transporte
• chuvas ácidas –impactos sobre o solo, rios e lagos
• riscos de acidentes em reatores nucleares: resíduos
radioativos;desativação das centrais e instalações
nucleares: contaminação por radiação
Estratégias gerais para o controle das
emissões de poluentes atmosféricos
Mudança dos hábitos de consumo
Substituição de fontes de energia
Aumento da eficiência do uso da energia
Controle das emissões de poluentes
atmosféricos – Fontes fixas
• Introdução de inovações tecnológicas – introdução
de equipamentos e processos produtivos mais limpos,
cogeração, etc.
• Uso de energéticos menos poluidores – substituição
de óleo combustível nas indústrias por gás natural,
biogás de lixo, eletricidade de origem renovável, etc.
• Aumento da eficiência no uso de materiais –
reciclagem, re-uso, design de produtos, substituição de
materiais
Controle das emissões de poluentes
atmosféricos – Fontes móveis
• Racionalização dos sistemas de transporte –
redução da demanda por transporte
•Mudanças dos hábitos de transporte de passageiros
– transporte individual X coletivo (ônibus, metrô,
trens, barcas, etc.)
- de cargas – substituição do modal rodoviário –
aumento da utilização de ferrovias, hidrovias,
cabotagem.
• Substituição de combustíveis – diesel e gasolina
•Introdução de inovações tecnológicas nos veículos
– veículos mais eficientes, sistemas de tratamento
de póscombustão, etc
Balanço de CO2 mundial atual
33 bilhões de toneladas de CO2
7,3 bilhões de toneladas absorvidas pelo oceano
7,3 bilhões de toneladas pelas florestas
18,3 bilhões de toneladas para a atmosfera
- Os países mais industrializados:
20% da população
57% PIB
46% GEE
Gases envolvidos no efeito estufa: concentrações e fontes no presente e no passado.
Greenhouse Gas
Dióxido de Carbono
Metano
Oxido Nitroso
Clorofluorcarbonos
(CFCs)
Ozonio
Concentration
1750
280 ppm
0.70 ppm
280 ppb
0
desconhecida
Concentration
1995
360 ppm
1.70 ppm
310 ppb
Percent Change
Natural and
Anthropogenic
Sources
29 %
Decaimento orgânicos;
queimadas de florestas;
Vulcões; queima de
combustíveis fósseis
deflorestamento;
mudança no uso do solo.
143 %
Pântano; decaimento
orgânico; Extração de Gás
natural e petróleo; queima
de biomassa; cultivo de
arroz; Gaso; aterros
sanitários.
11 %
Florestas; áreas com
grama; oceanos; solos;
cultivo de solo;
fertilizantes; queima de
biomassa; queima de
combustíveis fósseis.
900 ppt
Não aplicável
Refrigeração; propelentes
de aerosóis; solventes de
limpeza
Varia com latitude e
altitude na atmosfera
Níveis globais têm em
geral sofrido um
descréscimo na estratosfera
e aumentado na superfície
da Terra.
Criado naturalmente pela
ação da radiação solar no
oxigênio molecular e
artificialmente pela
produção de smog
fotoquímico.
The following graph illustrates the rise in atmospheric carbon dioxide from 1744 to
1992. Note that the increase in carbon dioxide's concentration in the atmosphere
has been exponential during the period examined. An extrapolation into the
immediate future would suggest continued increases
(IPCC, 2001)
Nível de incerteza científica
Concentração de CO2 atmosférico de 1000 a 2000 - dados de testemunho de gelo,
medidas atmosféricas diretas nas últimas décadas e projeções 2000-2100 baseadas
em seis diferentes cenários (adaptada do IPCC,1988)
Variations of the Earth’s surface temperature: years 1000 to 2100. From year 1000 to year 1860 variations in
average surface temperature of the Northern Hemisphere are shown (corresponding data from the Southern
Hemisphere not available) reconstructed from proxy data (tree rings, corals, ice cores, and historical records). The line
shows the 50-year average, the grey region the 95% confidence limit in the annual data. From years 1860 to 2000 are
shown variations in observations of globally and annually averaged surface temperature from the instrumental record;
the line shows the decadal average. From years 2000 to 2100 projections of globally averaged surface temperature are
shown for the six illustrative SRES scenarios and IS92a using a model with average climate sensitivity.
After CO2 emissions are reduced and atmospheric concentrations stabilize, surface air temperature
continues to rise slowly for a century or more. Thermal expansion of the ocean continues long after CO2
emissions have been reduced, and melting of ice sheets continues to contribute to sea-level rise for many
centuries. This figure is a generic illustration for stabilization at any level between 450 and 1,000 ppm, and
therefore has no units on the response axis. Responses to stabilization trajectories in this range show
broadly similar time courses, but the impacts become progressively larger at higher concentrations of CO2.