Poluição do ar Maria de Fátima Andrade 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 Fonte:CETESB

28/04/2003 Caio Guatelli/Folha Imagem

A preocupação com o ar que respiramos não é um fenômeno recente 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 Carvão substituiu a madeira no uso doméstico e industrial - 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 London Smog

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

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 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 H2O 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 Luft besteht zu etwa 80% aus Stickstoff und zu etwa 20% aus Sauerstoff. Der Wasserdampfgehalt ist stark variabel und beträgt in der Nähe des Erdbodens im Mittel etwa 1%. Das Edelgas Argon trägt ebenfalls etwa 1% bei. Alle anderen gasförmigen Luftbestandteile werden als Spurengase bezeichnet. Unter diesen hat CO2 mit etwa 380 ppm (=parts per million, d.h. 1:1 Mio.) den größten Anteil. Ein wesentlicher Teil der CO2 Konzentration ist durch Abgase, also durch menschliche Aktivität verursacht: vor Beginn der Industrialisierung schwankte die natürliche CO2 Konzentration im Lauf von Jahrmillionen zwischen 200 und 300 ppm, war jedoch nie so hoch wie heute. Im ppm Bereich findet man auch die Edelgase Helium und Neon, sowie das Treibhausgas Methan. In der nächsten Säule sind die Gase verzeichnet, deren mittlere globale Konzentration in Bodennähe in der Größenordnung 1:1 Mrd. (ppb = parts per billion) liegt. Wasserstoff (H2), Lachgas (N2O), Kohlenmonoxid (CO), und auch Ozon (O3) weisen heute allesamt höhere Konzentrationen auf als in vorindustrieller Zeit. Im letzten Balken findet sich eine Auswahl von Gasen, deren Konzentration wiederum um ein bis zwei Größenordnungen geringer ist (ppt = parts per trillion, d.h. 1 : 1 Billion bzw. 1 : 1.000.000.000.000). Viele dieser Verbindungen werden (auch) durch Reaktionen in der Atmosphäre erzeugt. Insgesamt gibt es mehrere Tausend chemische Verbindungen in der Atmosphäre. Wie wichtig eine Substanz in Bezug auf ihre Umweltwirkung (Giftstoff, Treibhausgas, etc.) ist, entscheidet nicht ihre Konzentration, sondern in der Hauptsache ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften. Ozônio

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

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

Inventário de emissões para poluentes na RMSP

Inventário de poluentes locais na RMSP

População e Número de Veículos Região 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 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 32133 3485398 9,2 Chicago 22848 2783726 8,2 Toronto 1988 28300 3898933 7,3 Cidades médias européias 4520 468531 9,6 Berlim 30926 3471418 8,9 Roma 1993 13923 2693383 5,2 Fonte: ICLEI (1997)

Crescimento das Mega-cidades Século XX Crescimento das Mega-cidades

Existem atualmente 23 megacidades distribuídas mundialmente 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

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 Sulfato Cloreto Biogênica

Aerossol biogênico primário fotoxidação condensação Aerossol biogênico primário enxofre reduzido Oxidação fase gasosa SO2 fumaça CCN modificado novas partículas Aerossol advectado COVs

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

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

Varia com latitude e altitude na atmosfera Gases envolvidos no efeito estufa: concentrações e fontes no presente e no passado. Greenhouse Gas Concentration 1750 1995 Percent Change Natural 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) 900 ppt Não aplicável Refrigeração; propelentes de aerosóis; solventes de limpeza Ozonio desconhecida 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

Nível de incerteza científica (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 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.