1 METEOROLOGIA E POLUIÇÃO DO ARRita Ynoue Depto. Ciências Atmosféricas – IAG – USP UNESP 12 ABRIL 2013 BAURU Fonte:CETESB

2 Nesta apresentação: Evolução da atmosfera e de sua composiçãoVisão geral sobre processos atmosféricos relacionados à poluição do ar Poluição urbana: a Região Metropolitana de São Paulo Poluição regional: smog fotoquímico, deposição ácida e ilhas de calor Poluição global: Camada de ozônio e mudanças climáticas LAPAt

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4 Elementos até o Ferro (Fe) são formados nas estrelas

5 Elementos mais pesados que o Fe são formados apenas com a explosão de supernovas

6 Elementos mais abundantes no Universo

7 FORMAÇÃO DO SISTEMA SOLAR

8 Elementos mais abundantes do Sol

9 FORMAÇÃO DA TERRA

10 Elementos mais abundantes na crosta da Terra

11 Composição Atmosférica de Vênus, Terra e Marte

12 A atmosfera primitiva Produzida pela emissão de gases de atividade vulcânica. Os gases emitidos por três vulcões hoje são mostrados na tabela abaixo (%): Além disso também eram emitidos N2 e H2 Kasting questiona emissões de NH3 (amônia) e CH4 (metano) Nota-se que não há emissão de O2 (oxigênio livre)

13 Empobrecimento de CO2 na atmosferaCHUVA Dióxido de carbono Quartzo (areia) CO2 + CaSiO3  SiO3 + CaCO3 Silicato de cálcio (tipo de rocha) Carbonato de cálcio (mármore)

14 Fotossíntese A maior produção de oxigênio se deu pelo processo de fotossíntese: 6CO2 + 6H2O <--> C6H12O6 + 6O2 Onde o dióxido de carbono e água, na presença de luz, produzem matéria orgânica e oxigênio. Inicialmente, este processo foi realizado pelas cianobactérias (microorganismos que têm estrutura celular que corresponde a célula de uma bactéria. São fotossintetizadoras, apresentando fotossistemas, mas sem estar organizados em cloroplastos, como as plantas).  fotossíntese  grande consumo de CO2 da atmosfera e liberação de O2 em quantidade (primeiro lixo da biosfera)

15 Acumulação de oxigênio produzido

16 Evolução da Composição da atmosfera terrestre

17 Elementos mais abundantes na crosta, oceano e plantas

18 Quais os elementos presentes na atmosfera?Nitrogênio Oxigênio Carbono Hidrogênio Enxofre Gases Nobres: He, Ne, Ar

19 Composição média da AtmosferaH2O Argonio 20% 78% 1% Oxigênio Nitrogênio CO2 CH4 (1.8) ppm 380 Ne 18 He (5) N2O 310 H2 CO 500 100 30 ppb HCHO 300 Etano SO2 NOx 500 200 100 ppt NH3 400 CH3OOH 700 H2O2 HNO3 outros Ozônio

20 E quais os principais elementos dos seres vivos?CICLOS BIOGEOQUÍMICOS (CICLAGEM DE NUTRIENTES) Nutrientes = elementos essenciais aos seres vivos Fertilizantes: N, P, S, K

21 Ciclo da água A água é, quantitativamente, o elemento mais abundante na constituição dos seres vivos. Cerca de 70% do peso do homem é formado por água. Em vista disso, a massa de seres vivos existente em qualquer parte da superfície terrestre é proporciona à disponibilidade de água. Isso significa que em regiões de fortes chuvas a vida é muito mais exuberante e intensa do que em áreas desérticas. A água na natureza pode ser encontrada nos 3 estados físicos: sólido, líquido e gasoso. Os oceanos e mares constituem cerca de 97% de toda água; 2,25% estão na forma de gelo nas geleiras e nos pólos, e apenas 0,75% estão nos rios, lagos e lençóis freáticos. A maior parte da água da atmosfera está na forma gasosa, ou seja, de vapor. A água encontrada na atmosfera é proveniente da evaporação, da transpiração e da evapotranspiração. A água gasosa da atmosfera ao se acumular e sofrer resfriamento, pode se condensar, dando lugar à formação das nuvens. Ventos podem transportar tanto a água na fase de vapor quanto na forma de nuvem a longas distâncias, de tal forma que a precipitação na forma de chuva ou neve possa ocorrer a longas distâncias do local fonte. A quantidade de água existente na atmosfera não é muito grande, mesmo assim, todo o ciclo da água está fundamentado neste pequeno volume. Nos continentes a evapotranspiração é menor do que a precipitação. Parte dessa pptção escoa superficialmetne em direção aos pontos baixos, o que possibilita a formação de rios e lagos, que por sua vez escoam para o oceano. Outra parte da pptção infiltra no solo renova as águas subterrâneas, ou seja, o lençol freático. O excedente de água dos lençóis pode retornar à superfície, na forma de nascentes. Nos oceanos e mares, a precipitação é menor que a evaporação.

22 Ciclo do Carbono

23 Ciclo do Nitrogênio

24 O ciclo do Enxofre O S apresenta um ciclo que passa entre o ar e os sedimentos, sendo que existe um grande depósito na crosta terrestre e nos sedimentos, e um depósito menor na atmosfera. No reservatório terrestre, os microorganismos têm função preponderante, pois realizam a oxidação ou redução química. Dessas reações, resulta a recuperação do enxofre dos sedimentos mais profundos. Na crosta e na atmosfera, paralelamente, ocorrem processos geoquímicos e meteorológicos, tais como erosão, ação da chuva, além de processos biológicos de produção e decomposição. Os sulfatos constituem a forma mais oxidada, sendo incorporada pelos organismos autótrofos para fazerem parte da constituição das proteínas, pois o enxofre é o constituinte de certos aminoácidos. O SO2 normalmente constitui um passo transitório no ciclo. Na maioria dos ambientes aparece uma concentração relativamente baixa desse composto. Todavia, com o aumento da poluição industrial, cada vez mais são produzidos óxidos de enxofre, que, por sua vez, afetam esse ciclo. Com as emissões industriais, a concentração de automóveis e a queima de carvão nas termoelétricas, o SO2 tem sido encontrado cada vez em maior concentração no ambiente, principalmente em grandes centros urbanos. O aumento da concentração de óxidos de enxofre, além de óxidos de nitrogênio na atmosfera leva à ocorrência da chuva ácida.

25 Homo erectus...

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27 Combustão Idealmente Combustível + ar —> CO2 + H2O + calor Realidade Combustível + ar —> CO2 + H2O + calor + NOx + SO2 + CO + Partículas + + combustível não queimado (hidrocarbonetos) + COVs (compostos orgânicos voláteis)

28 O que é poluição? Difícil de se definir uma vez que vários poluentes, em baixas concentrações são nutrientes essenciais para o desenvolvimento de ecossistemas.

29 Definição de poluente atmosféricoPoluente: 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. Existe poluição do ar quando a presença de uma substância estranha ou a variação significativa na proporção dos seus constituintes é suscetível de provocar doenças

30 Aspectos Gerais A maior parte dos compostos considerados poluentes atmosféricos tem origem tanto natural quanto antropogênica. A poluição atmosférica não é um fenômeno recente: na época medieval, a queima de carvão era proibida em Londres, enquanto o Parlamento estava em sessão. A intensidade dos problemas de poluição do ar, no entanto teve um aumento dramático devido ao aumento de emissões desde a Revolução Industrial

31 Poluição local Problemas de poluição do ar noticiados no século XIX e início do século XX eram basicamente locais, concentrados ao redor de centros industriais ou grandes cidades.

32 Smog sulfuroso O episódio de poluição atmosférica em Londres, 1952: relação entre concentração de fumaça e óbitos

33 Episódio de poluição atmosférica em Londres, 1962: confirmado a presença de aerossóis contendo sais de sulfato e ácido sulfúrico

34 Smog de Los Angeles No final da década de 1940, um novo fenômeno de poluição do ar começou a ser observado na área de Los Angeles, EUA. Diferentemente do smog de Londres, o ar ambiente continha poluentes extremamente oxidantes e os eventos ocorriam em dias quentes com muita incidência de radiação solar.

35 smog = smoke + fog (poeira + neblina) a bluz solar óxidos de nitrogênio e compostos orgânicos voláteis smog fotoquímico (castanho) industrial (cinzento) Fog ou ar úmido SO2 e MP originados da queima de carvão a b a) smog industrial, ou smog cinza, ocorre quando carvão é queimado e a atmosfera está úmida (ex. Londres); b) smog fotoquímico, ou fumaça castanha, ocorre em presença de luz solar agindo sobre poluentes veiculares (ex. Los Angeles e São Paulo).

36 Smog fotoquímico Smog fotoquímico em São Paulo (~1990).O gás de cor castanha, NO2, é formado quando o NO, que é um gás incolor, reage com o oxigênio do ar. (P.W. Atkins, “Atoms, Electrons, and Change”, 1991)

37 Monitor/ConcentraçãoPROCESSO DE POLUIÇÃO ATMOSFÉRICA O processo de poluição do ar pode se resumir a três momentos: (1) emissão de poluentes para a atmosfera; (2) transporte, diluição e modificação química ou física dos poluentes na atmosfera; (3) recepção dos poluentes. TRANSPORTE Dispersão Reações Qu[imicas EMISSÃO Fontes RECEPÇÃO Monitor/Concentração

38 PROCESSOS ATMOSFÉRICOS: 1. EmissõesNaturais (Desertos, oceanos)

39 PROCESSOS ATMOSFÉRICOS: 1. EmissõesAntropogênicas

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41 PROCESSOS ATMOSFÉRICOS: 2. Transporte e Transformações físico-químicas

42 Meteorologia – TransporteEscalas de Movimento Os fenômenos meteorológicos que atuam no processo de dispersão o fazem obedecendo a uma seqüência de escalas de movimento em função da dinâmica da atmosfera Escala Sinótica Mesoescala Microescala

43 Escalas de Movimento Escala SinóticaA essa escala estão associados os movimentos do ar resultantes da circulação geral da atmosfera, interagindo com as massas de ar, isto é, os sistemas frontais, os anticiclones (altas pressões) e as baixas pressões na troposfera, tendo extensão horizontal que varia entre 100 a km. Os efeitos dessa escala sobre a poluição podem ser classificados de duas formas: a condição favorável à dispersão (baixas pressões, frentes) e a condição desfavorável à dispersão (altas pressões estacionárias no inverno e as inversões térmicas que inibem a dispersão vertical, reduzindo a velocidade do vento e aumentando as horas de calmaria) Escala Sinótica

44 Escalas de Movimento MesoescalaSão os movimentos que incluem as brisas marítima e terrestre, circulação dentro de vales e os fenômenos do efeito de ilhas de calor. Os fenômenos dessa escala que influenciam a qualidade do ar local são variações diurnas da estabilidade atmosférica e a topografia regional. A extensão horizontal dessa escala é da ordem de 100 km e na vertical é de dezenas de metros até 1 km acima do solo. Os fenômenos que ocorrem dentro dessa camada tem importância fundamental nos processos de transporte e dispersão sobre as emissões das fontes poluidoras. Os principais parâmetros meteorológicos que atuam nesse processo são as inversões térmicas de baixa altitude, a variação diária da altura da mistura e a taxa de ventilação horizontal dentro dessa camada. Mesoescala

45 Escalas de Movimento MicroescalaIncluem os movimentos resultantes dos efeitos aerodinâmicos das edificações das cidades e dos parques industriais, rugosidade das superfícies e a cobertura vegetal de diversos tipos de solo. Esses movimentos são responsáveis pelo transporte e difusão dos poluentes em um raio horizontal inferior a 10 km e entre 100 e 500 metros na vertical acima do solo. Nesses casos, a turbulência atmosférica, gerada por diversos pequenos obstáculos, é importante na verdadeira trajetória das plumas emitidas pelas fontes industriais, uma vez que a direção e a velocidade do vento são totalmente dominadas pelas características topográficas e regionais em torno da fonte.

46 Tempo de Residência “O tempo de residência nos diz em média quanto tempo uma mólecula permanecerá na atmosfera antes de ser removida”. Cálculos de tempo de residência podem ser utilizados para se estimar a distância da fonte que uma espécie percorrerá antes de ser removida da atmosfera.

47 Tempos de residência Composto Tempo de residência SO2 ~ 2 dias N2O~120 anos NOx ~1 dia CO ~1 a 3 meses MP Alguns dias a algumas semanas CO2 ~200 anos CH4 ~10 anos

48 Tempo de Residência Espécies com curto tempo de residência têm uma escala espacial menor do que espécies com tempo de residência maior. Por exemplo, o radical hidroxila (OH) tem um tempo de residência da ordem de 0,01 s, ou seja, sua escala de transporte espacial é de apenas 1 cm. Já o metano (CH4), tem um tempo de residência da ordem de 10 anos, podendo se tornar uniformemente misturado em toda a troposfera. As escalas espaciais dós vários fenômenos químicos que ocorrem na atmosfera resultam de uma complexa dependência entre os tempos de residência químicos das principais espécies e as escalas de movimento atmosféricos. Assim, gases traço que afetam a poluição atmosférica urbana seriam: CO, O3, SO2, NOx. Gases traço que afetam o efeito estufa: CO2,N2O, CH4,CFCs Gases relacionados à destruição da camada de ozônio: CFCS

49 Compostos orgânicos Voláteis (COV) Óxidos de nitrogênio (NOx)Formação do Ozônio e outros poluentes secundários Sol secundários Oxigênio (O2) + Compostos orgânicos Voláteis (COV) Óxidos de nitrogênio (NOx) Reações fotoquímicas Ozônio (O3) PAN Primários

50 PROCESSOS ATMOSFÉRICOS: 2’. Remoção

51 Processos de remoção Deposição úmida Deposição seca

52 PROCESSOS ATMOSFÉRICOS: 3. Efeitos nos receptores

53 O ar que respiramos Bom ou ruim?Como é a qualidade do ar que respiramos? Indoor/outdoor Gases e material particulado (líquidos e/ou sólidos)

54 Composição da AtmosferaH2O Argonio 21% 78% 0,9% Oxigênio Nitrogênio CO2 CH4 (1.8) ppm 380 Ne 18 He (5) N2O 310 H2 CO 500 100 30 ppb HCHO 300 Etano SO2 NOx 500 200 100 ppt NH3 400 CH3OOH 700 H2O2 HNO3 outros CH3OOH – metil hidroperóxido HCHO - formaldeído Ozônio

55 Composição química dos gases da atmosfera78.1% N2 21.0% O2 0.9% Ar 78.1% N2 21.0% O2 0.9% Ar 78.1% N2 21.0% O2 0.9% Ar 78.1% N2 21.0% O2 0.9% Ar Obviously, the point to be made here is that (excluding water vapor), atmospheric composition is almost the same everywhere. Here I just showed Texas, the Amazon, the Sahara, and Antarctica to emphasize the uniformity. The concentration of water vapor is highly variable since its atmospheric lifetime is so short. Its concentration can exceed that of argon’s. After nitrogen, oxygen, argon, and water, the next most abundant molecule is carbon dioxide, which comprises 0.037% of the air.

56 Distribuição espacial do COThis composite image depicts the MOPITT CO measurements at an altitude of 850 hPa. The seasonal plot shows the observations averaged over 4 years for April-May-June. In the Northern hemisphere, most of the pollution is associated with urban activity and fires, such as those frequently observed over Alaska and Siberia (Clerbaux et al., 2004).

57 Distribuição espacial do NO2Global air pollution map produced by Envisat's SCIAMACHY (Média de 18 meses)

58 Qualidade do ar A interação entre as fontes de poluição e a atmosfera vai definir o nível de qualidade do ar, que determina por sua vez o surgimento de efeitos adversos da poluição do ar sobre os receptores, que podem ser o homem, os animais, as plantas e os materiais. A medição sistemática da qualidade do ar é restrita a um número de poluentes, definidos em função de sua importância e dos recursos disponíveis para seu acompanhamento.

59 Indicadores de qualidade do arO grupo de poluentes que servem como indicadores de qualidade do ar, adotados universalmente e que foram escolhidos em razão da freqüência de ocorrência e de seus efeitos adversos, são: - Material Particulado (MP) - Dióxido de Enxofre (SO2) - Monóxido de Carbono (CO) - Oxidantes Fotoquímicos, como o Ozônio (O3) - Hidrocarbonetos (HC) - Óxidos de Nitrogênio (NOx)

60 Padrões de Qualidade do ArEstabelecidos a partir de diversos estudos toxicológicos com pessoas e animais. Foram determinados vários níveis de exposição aos diversos poluentes e seus respectivos efeitos sobre a saúde. Um padrão de qualidade do ar (PQAR), define legalmente o limite máximo para a concentração de um componente atmosférico que garanta a proteção da saúde e do bem estar das pessoas.

61 Índice de Qualidade do Ar

62 Rede de Monitoramento CETESB

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64 Poluição regional Efeitos da poluição atmosférica foram detectados em escalas regionais (>500 km), continentais e globais apenas a partir da segunda metade do século XX. Na década de 1960, efeitos regionais a continentais da deposição ácida (chuva ácida) começaram a ser observados. Começaram a ser reportandos também episódios de smog fotoquímico em grandes cidades dos EUA, como Los Angeles, e da Europa.

65 Precursores da Deposição Ácida (Chuva ácida)Poluição atmosférica industrial, especialmente produtos da combustão dióxido de enxofre (SO2) óxidos de nitrogênio (NOx) Transporte atmosférico Os impactos podem ocorrer distantes das fontes de emissão

66 pH Natural da Chuva A chuva naturalmente tem um pH de 5.6 devido ao CO2 A acidez da chuva é importante para processos como o intemperismo de rochas

67 Escala do pH - 14 - 13 - 12 - 11 básico - 10 - 9 - 8 - 7 neutro - 6soda cáustica - 12 - 11 amônia básico - 10 - 9 bicarbonato de sódio - 8 - 7 água destilada neutro - 6 chuva natural - 5 chuva ácida - 4 ácido maça - 3 vinagre - 2 - 1 ácido de bateria - 0

68 Fatores de Emissão de Usinas Térmicas

69 Efeitos da deposição ácida: materiais e florestas

70 Efeitos da deposição ácida1908 1969 Deterioração de mármore - Herten, Alemanha.

71 Ilha de Calor São Paulo em situação de:estabilidade atmosférica, com ausência de ventos; e inversão térmica freqüentes no inverno; fenômeno ilha de calor aparece na sua plenitude; ocorre variação térmica horizontal de até 10ºC; entre o centro da cidade e sua periferia. São Paulo em situação de estabilidade atmosférica, com ausência de ventos, e inversão térmica freqüentes no inverno, o fenômeno chamado ilha de calor aparece na sua plenitude, podendo ocorrer variação térmica horizontal de até 10ºC, entre o centro da cidade e sua periferia.

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73 Poluição global O efeito em dimensões globais, tais como a destruição da camada de ozônio, começou a ser estudado no período de 1985 – 1995, quando se revelou que a destruição da camada de ozônio levava a uma maior incidência de raios UV. A partir da década de 1990, estudos de poluição do ar tendo como foco o aumento de substâncias que alteram o balanço radiativo da Terra e suas conseqüências climáticas começaram a receber maior atenção.

74 Ozônio Estratosférico

75 http://weatheroffice. pyr. ec. gc

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77 Mudanças Climáticas

78 Tempo e Clima O estado da atmosfera pode ser descrito por variáveis que caracterizam sua condição física. Essas variáveis são o que chamamos de elementos meteorológicos: temperatura do ar, umidade relativa do ar, velocidade e direção do vento, precipitação, pressão atmosférica, radiação solar, etc... Condição atual, mostrando a ocorrência de uma tempestade Para um dado local, o estado da atmosfera pode ser descrito tanto em termos instantâneos, definindo a condição atual, a qual é extremamente dinâmica, como também em termos estatísticos, definindo a condição média, a qual é por sua vez uma descrição estática. Condição média, mostrando as diferenças entre as regiões brasileiras

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80 From: Steffen et al. 2004

81 From: Steffen et al. 2004

82 A Atmosfera Terrestre

83 The MODIS instrument on NASA's Terra satellite captured an Ash plume from Eyjafjallajokull Volcano over the North Atlantic at 11:35 UTC (7:35 a.m. EDT) on April 15, Credit: NASA/MODIS Rapid Response Team

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89 Obrigada! Rita Yuri Ynoue

90 Bibliografia Kasting, 1993: “Earth’s early atmosphere”, Science, 12 fevereiro 1993. Suguio e Suzuki, 2003: A evolucão geológica da Terra e a fragilidade da vida. CETESB: Relatório da Qualidade do Ar

91 Bibliografia C. Baird. “Química Ambiental”, 2a.ed., Bookman, Porto Alegre, 2002. J.C. Rocha, A.H. Rosa, A.A. Cardoso, “Introdução à Química Ambiental”, Bookman, Porto Alegre, 2004. Brasseur, G.P., Orlando, J.J., Tyndall, G.S., Atmospheric Chemistry and Global Change, Oxford University Press, New York, 1999. J.H. Seinfeld e S. N. Pandis, "Atmospheric Chemistry and Physics: from air pollution to climate change", John Wiley & Sons, New York, 1998. (Associação Brasileira de Entidades Estaduais de Meio Ambiente)

92 Bibliografia Rezende, 2003: A importância da compreensão dos ciclos biogeoquímicos para o desenvolvimento sustentável. Murgel Branco e Murgel, 2001: Poluição do Ar.

93 Para saber mais: