poluição do ar maria de fátima andrade departamento de ciências atmosféricas instituto de...
TRANSCRIPT
Poluição do ar
Maria de Fátima AndradeDepartamento de Ciências Atmosféricas
Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências AtmosféricasUniversidade de São Paulo
Fonte:CETESB
IAG, 13 de maio de 2008
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)
London Smog
- Século 17
“It is horrid smoake which obscures our Church and 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.”
John Evelyn
- Século 13
Carvão substituiu a madeira no uso doméstico e industrial
Eventos de excesso de óbitos associados ao “smog”Ano Lugar Número de óbitos em
excesso1930 Vale do Meuse, Bélgica 631948 Donora, Pensilvânia 201952 Londres 40001962 Londres 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 deenxofre em Londres e fotoquímico em Los Angeles
Características Compostos sulfurosos FotoquímicoIdentificação Séculos atrás Em torno de 1940Poluentesprimários
SO2, partículas defuligem
COV, NOx
Poluentessecundários
H2SO4, sulfato, aerossóis O3, PAN, HNO3, aldeídos, nitrato esulfato particulado
Temperatura Frio (<2oC) Quente (>23oC)Umidade Relativa Alta, com nebulosidade BaixaTipo de inversão Radiativa (solo) SubsidênciaPicos de Poluiçãodo ar
Manhã cedo Tarde para noite
Adaptado de Fynlayson Pitts & Pitts, 1999
Gás Concentração Tempo de Ciclo
média (ppm) residência
_________________________________________________________________
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 10-5-10-4 40 dias antropogênico e químico
Composição do ar ao nível do mar
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 atmosferaO 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 ozônioO 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 ozônioO ozônio
A teoria de GaiaA 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.
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.
A teoria de GaiaA teoria de Gaia
O impacto das atividades humanasO 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 humanasO 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.
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.
O impacto das atividades humanasO impacto das atividades humanas
Composição da Atmosfera
N2O 310
H2
CO
500
100
30
ppb
CO2
CH4 (1.8)
ppm
380
Ne
18He (5)
HCHO 300
Etano
SO2
NOx
500
200100
ppt
NH3 400
CH3OOH 700
H2O2 500
HNO3 300
outrosH2OArgonio
20%
78%
1%
Oxigênio
Nitrogênio
Ozônio
Escalas temporal e espacial da variabilidade dos constituintes
atmosféricos
Adaptado de Seinfeld e Pandis, 1998
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 fontesde 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
0
2000000
4000000
6000000
8000000
10000000
12000000
14000000
16000000
18000000
20000000
Ano
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
1980 1991 2000 2006
População e Número de VeículosRegião Metropolitana de São Paulo
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
Fonte: ICLEI (1997)
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
Cidades médias européias
4520 468531 9,6
Berlim 1990 30926 3471418 8,9
Roma 1993 13923 2693383 5,2
Crescimento das Mega-cidades
Século XX
População em bilhões de habitantes
0
2
4
6
8
10
1950 1975 2000 2003 2030
Mundial urbana rural
1. Tokio, Japão 26,4 milhões2. Mexico City, México 18,4 milhões3. Bombay, India 18,1 milhões 4. São Paulo, Brasil 17,8 milhões5. Shanghai, China 17,0 milhões6. New York City, USA 16,6 milhões7. Lagos, Nigeria 13,4 milhões8. Los Angeles, USA 13,1 milhões9. Calcutta, India 12,9 milhões10. Buenos Aires, Argentina 12,6 milhões
As dez maiores mega-cidades no ano 2000:
Existem atualmente 23 megacidades distribuídas mundialmente
Problemas de Poluição do ar em Megacidades
PoluenteCidade SO2 CO NO2 O3 Pb MPBankoc X X X XX XXXBeijing XXX X X XX X XXXBombai X X X X XXX
Buenos Aires X XXCairo XX XXX XXX
Calcutá X X X XXXDeli X X X X XXX
Jacarta X XX X XX XX XXXKarachi X XXX XXXLondres X XX X X X X
Los Angeles X XX XX XXX X XXManila X XX XXX
Cidade do México XXX XXX XX XXX XX XXXMoscou XX XX X XX
Nova York X XX X XX X XRio de Janeiro XX X X XX
São Paulo X XX XX XXX X XXSeul XXX X X X X XXX
Shangai XX XXXTokio X X X XXX X
Baseado em Mage (1996); xxx significa que os padrões da WHO para o poluenteforam 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 brancosignifica 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 atmosféricosFigura 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
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
Filtros de PM10 limpose sujos
Partículas Finas microscópicas podemter acesso ao aparelho respiratório
Partículas de
Aerossol
Courtesy ofU. Lohmann
Aluminosilicato Sulfato
Cloreto Biogênica
Composição de partículas individuais
fotoxidação
cond
ensa
ção
Aer
oss
ol
biog
êni c
o pr
imár
io
enxo
fre
redu
zid
o
Oxidação fase gasosa
SO
2
fumaça
•CCN modificado
•novas partículas
Aerossol advectado
CO
Vs
1
10
100
1000
10000
Mg Al
Si
P S Cl
K Ca Ti V Cr
Mn
Fe Ni
Cu
Zn
Se Br
Rb Sr
Zr
Pb
C o
rg
C e
lem
Elemento
Co
nce
ntr
ação
(n
g/m
3 )verãoinverno
Tese de Regina M. Miranda, 2001
Direct Observations of AerosolsSmoke Clouds from wild fires near Sydney (Dec. 2001)
A „Atmospheric Brown Cloud“
Uma camada de 3km de poeira sobre a Asiacausando problemas de saude eefeitos 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 + OO + 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
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
10001 3 5 7 9
11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47
Hora Local
Co
nce
ntr
açã
o e
m u
g/m
3
NO
NO2O3
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 – efeitosglobais:CO2, CH4, N20, O3, CFCs
Outros Poluentes atmosféricos – efeitosLocais (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 níveldas 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 poluentesatmosféricos – Fontes fixas
• Introdução de inovações tecnológicas – introduçãode equipamentos e processos produtivos mais limpos,cogeração, etc.
• Uso de energéticos menos poluidores – substituiçãode 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 demateriais
Controle das emissões de poluentesatmosféricos – 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 oceano7,3 bilhões de toneladas pelas florestas18,3 bilhões de toneladas para a atmosfera
- Os países mais industrializados:20% da população57% PIB46% GEE
Gases envolvidos no efeito estufa: concentrações e fontes no presente e no passado.
Greenhouse Gas Concentration1750
Concentration1995
Percent ChangeNatural and Anthropogenic Sources
Dióxido de Carbono 280 ppm 360 ppm 29 %
Decaimento orgânicos; queimadas de florestas; Vulcões; queima de combustíveis fósseis deflorestamento; mudança no uso do solo.
Metano 0.70 ppm 1.70 ppm 143 %
Pântano; decaimento orgânico; Extração de Gás natural e petróleo; queima de biomassa; cultivo de arroz; Gaso; aterros sanitários.
Oxido Nitroso 280 ppb 310 ppb 11 %
Florestas; áreas com grama; oceanos; solos; cultivo de solo; fertilizantes; queima de biomassa; queima de combustíveis fósseis.
Clorofluorcarbonos (CFCs)
0 900 ppt Não aplicávelRefrigeração; propelentes de aerosóis; solventes de limpeza
Ozonio desconhecidaVaria 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
W O R L DW O R L DR E S O U R C E SR E S O U R C E S
IN S T IT U T EIN S T IT U T E
D ata Sou rce: C .D . K eeling and T .P . W horf, A tm ospheric CO 2 Concen trations (ppm v) derived from in situ a ir sam ples co llected at M auna LoaO bservato ry, H aw aii, Scripps I n stitu te o f O ceanography, August 1998. A . N efte l et a l, H isto rica l CO 2 R ecord from the S ip le S tation I ceCore, P hysics I n stitu te, U n iversity o f Bern , Sw itzerland , Septem ber 1994. See h ttp : / / cd iac.esd .o rn l.gov/ trends/ co2/ con ten ts.h tm
A tm o sph eric ca rbo n d io x ide ( C O 2 )co n cen tra tio n s ( 1 7 5 0 to p resen t)
270
280
290
300
310
320
330
340
350
360
370
1750 1800 1850 1900 1950 2000
parts
per
milli
on vo
lume
Mauna Loa (1958-present)
Siple Station (1750-)
W O R L DW O R L DR E S O U R C E SR E S O U R C E S
IN S T IT U T EIN S T IT U T E
D ata S ou rce: D .M . E th eridge et a l. Con cen tration s o f CH 4 from th e Law D om e (E ast S ide, "D E 08" S ite) I ce Co re(a) , Com m on w ealthS cien tific an d I n du stria l R esearch O rgan isation , A spen dale, V icto ria , A u stra lia . S eptem ber 1994 . A vailab le:h ttp : / / cd iac.esd .o rn l.gov/ ftp / trends/ m eth ane/ law dom e.259. M .A .K . K h alil, R .A . R asm u ssen , an d F . M oraes. "A tm osph eric m eth an e at CapeM eares: A n alysis o f a h igh reso lu tion data base an d its en viron m en tal im p lications." J ou rn a l o f G eoph ysica l R esearch 98 :14 ,753-14 ,770.1993. A va ilab le: h ttp : / / cd iac.esd .o rn l.gov/ ftp / db1007/ cm eares.m on
A tm o sph eric m eth an e ( C H 4 ) co n cen tra tio n s
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1840 1890 1940 1990
parts
per
billi
on vo
lume
Law Dome (1841-1978)
Cape Meares (1979-1991)
(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.