Poluição do ar Maria de Fátima Andrade Departamento de Ciências Atmosféricas Instituto de...

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.