LICENCIATURA EM CIÊNCIAS · USP/ UNIVESP 10.1 Introdução 10.2 Tipos e fontes de poluentes atmosféricos 10.2.1 Classificação dos poluentes 10.2.2 Principais poluentes atmosféricos 10.3 Ozônio na troposfera 10.3.1 Química básica do ozônio 10.4 Ozônio na Estratosfera 10.4.1 Buraco da camada de ozônio 10.4.2 Medida da concentração de O 3 na camada de ozônio 10.5 Fatores atmosféricos que afetam a poluição 10.5.1 Vento 10.5.2 Estabilidade e Inversão Térmica 10.6 Poluição atmosférica e ambientes urbanos 10.6.1 Ilha de calor 10.6.2 Deposição ácida Referências Rita Yuri Ynoue Michelle S. Reboita Tércio Ambrizzi Gyrlene A. M. da Silva Nathalie T. Boiaski POLUIÇÃO ATMOSFÉRICA 10 Meteorologia
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POluIçãO ATMOSFéRICA Meteorologia - midia.atp.usp.br · 10.2 Tipos e fontes de poluentes atmosféricos 10.2.1 Classificação dos poluentes ... quando o MP é carregado por gotas
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Licenciatura em ciências · USP/ Univesp
10.1 Introdução10.2 Tipos e fontes de poluentes atmosféricos
10.2.1 Classificação dos poluentes10.2.2 Principais poluentes atmosféricos
10.3 Ozônio na troposfera10.3.1 Química básica do ozônio
10.4 Ozônio na Estratosfera10.4.1 Buraco da camada de ozônio 10.4.2 Medida da concentração de O3 na camada de ozônio
10.5 Fatores atmosféricos que afetam a poluição10.5.1 Vento10.5.2 Estabilidade e Inversão Térmica
10.6 Poluição atmosférica e ambientes urbanos10.6.1 Ilha de calor 10.6.2 Deposição ácida
Referências
Rita Yuri YnoueMichelle S. Reboita
Tércio Ambrizzi Gyrlene A. M. da Silva
Nathalie T. Boiaski
POluIçãO ATMOSFéRICA10
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10.1 IntroduçãoEste texto trata da poluição atmosférica. Iniciaremos com as definições de poluentes
atmosféricos e apresentaremos os principais compostos presentes numa atmosfera urbana
poluída: material particulado, monóxido de carbono, óxidos de nitrogênio e de enxofre e ozônio.
Neste momento, será oportuno distinguir o ozônio troposférico do ozônio estratosférico
e introduzir o conceito de camada de ozônio mostrando como ela está sendo destruída.
É importante destacar que os poluentes atmosféricos estão concentrados nas camadas mais
próximas da superfície da Terra, na baixa troposfera, enquanto que a camada de ozônio
encontra-se na estratosfera.
Os principais fatores meteorológicos que afetam a poluição do ar nas camadas mais baixas da
troposfera também serão discutidos. Uma vez que, as atividades urbanas têm se destacado como
principais fontes de poluição atmosférica. Outro tema abordado neste texto será os efeitos da
poluição nos ambientes urbanos (ilhas de calor e deposição ácida).
10.2 Tipos e fontes de poluentes atmosféricosNo Brasil, o órgão responsável pela deliberação e consulta de toda a Política Nacional do
Meio Ambiente é o Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA), que define
poluente atmosférico da seguinte forma:
Entende-se como poluente atmosférico qualquer forma de matéria ou energia com inten-
sidade e em quantidade, concentração, tempo ou características em desacordo com os níveis
estabelecidos, e que tornem ou possam tornar o ar:
I. impróprio, nocivo ou ofensivo à saúde;
II. inconveniente ao bem-estar público;
III. danoso aos materiais, à fauna e flora;
IV. prejudicial à segurança, ao uso e gozo da propriedade e às atividades normais
da comunidade.
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10.2.1 Classificação dos poluentes
No texto Atmosfera Terrestre, vimos a composição majoritária da atmosfera, em termos
de gases. Entretanto, a variedade de substâncias que podem ser encontradas na atmosfera é
muito grande, compreendendo, além dos gases, os aerossóis, que podem estar na fase líquida
ou sólida. Consequentemente, há várias formas de se classificar os poluentes. Normalmente, os
poluentes são divididos em:
• Poluentes primários: aqueles que são diretamente emitidos por uma fonte.
• Poluentes secundários: aqueles que são formados na atmosfera, por exemplo, por
reações químicas entre poluentes primários e constituintes naturais da atmosfera.
Os poluentes também podem ser divididos com relação à sua origem, podendo ser emitidos
por fontes naturais, como vegetação, oceanos e vulcões, ou antrópicas, quando emitidos por
processos industriais ou relacionados a atividades humanas, como chaminés de indústrias,
escapamentos de veículos, navios, aviões, cigarro, fornos a lenha etc.
10.2.2 Principais poluentes atmosféricos
Antes de iniciarmos a descrição dos poluentes atmosféricos é importante destacar que nem
todos os gases poluentes são gases de efeito estufa e vice-versa. Por exemplo, o dióxido de
carbono (CO2) é um gás de efeito estufa, mas não é considerado poluente atmosférico.
O CONAMA, entre outras competências, estabelece normas, critérios e padrões relativos ao
controle e à manutenção da qualidade do meio ambiente. O CONAMA define os padrões de
qualidade do ar da seguinte forma:
(...) as concentrações de poluentes atmosféricos que, ultrapassadas, poderão
afetar a saúde, a segurança e o bem-estar da população, bem como ocasionar danos
à flora e à fauna, aos materiais e ao meio ambiente em geral.
I. Padrões Primários de Qualidade do Ar são as concentrações de poluentes que,
ultrapassadas, poderão afetar a saúde da população.
II. Padrões Secundários de Qualidade do Ar são as concentrações de poluentes
abaixo das quais se prevê o mínimo efeito adverso sobre o bem-estar da
população, assim como o mínimo dano à fauna, à flora, aos materiais e ao
meio ambiente em geral.
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A Tabela 10.1 resume os padrões de qualidade do ar para os poluentes atmosféricos
legislados no Brasil, conforme CETESB (2010).
Tabela 10.1: Padrões nacionais de qualidade do ar (Resolução do CONAMA, nº 3, de 28/6/90). / Fonte: adaptado de CETESB,2010.
PoluenteTempo de
amostragemPadrão
primário mg/m3
Padrão secundário mg/m3
Método de medição
Partículas totais em suspensão
24 horas1
MGA224080
15060
Amostrador de grandes volumes
Partículas inaláveis
24 horas1
MAA315050
15050
Separaçãoinercial/filtração
Fumaça 24 horas1
MAA315060
10040 Refletância
Dióxido de enxofre
24 horas1
MAA336580
10040 Pararosanilina
Dióxido de nitrogênio
1 hora1
MAA3320100
190100 Quimiluminescência
Monóxido de carbono
1 hora1
8 horas1
40.00035 ppm10.0009 ppm
40.00035 ppm10.0009 ppm
Infravermelhonão dispersivo
Ozônio 1 hora1 160 160 Quimiluminescência
Material particulado (MP)
Sob a denominação geral de Material Particulado, encontra-se um conjunto de poluentes
constituídos de poeiras, fumaças e todo tipo de material na fase líquida ou sólida que se mantém
suspenso na atmosfera por causa de seu tamanho pequeno. As propriedades do MP variam
em função de seu tamanho, composição química e origem. O tamanho das partículas, cujo
diâmetro pode variar de alguns nm (10-9 m) a dezenas de µm (10-6 m), está diretamente associado
ao seu potencial para causar problemas à saúde: quanto menores elas forem, maiores os efeitos
provocados. OMP também causa redução de visibilidade e impactos no clima. Com relação ao
clima, os efeitos podem ser divididos em duas classes:
• Efeitos diretos: são decorrentes do espalhamento e absorção da radiação solar. É o
mesmo processo que ocorre com a redução de visibilidade.
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• Efeitos indiretos: ocorrem quando o MP atua como núcleo de condensação de nuvens.
O CONAMA classifica o MP em três diferentes categorias, que recebem da Companhia de
Tecnologia de Saneamento Ambiental de São Paulo (CETESB) as seguintes definições:
• Partículas totais em suspensão (PTS): Podem ser definidas de maneira simplificada
como aquelas cujo diâmetro aerodinâmico é menor que 50 µm. Uma parte dessas partículas
é inalável e pode causar problemas à saúde. Outra parte pode afetar desfavoravelmente
a qualidade de vida da população, interferindo nas condições estéticas do ambiente e
prejudicando as atividades normais da comunidade.
• Partículas inaláveis (MP10): Podem ser definidas de maneira simplificada como aquelas
cujo diâmetro aerodinâmico é menor que 10 µm. As partículas inaláveis podem ainda
ser subdivididas como partículas inaláveis finas (MP2,5
- diâmetro aerodinâmico menor
que 2,5 µm) e partículas inaláveis grossas (diâmetro aerodinâmico entre 2,5 e 10 µm).
As partículas finas, devido ao seu tamanho diminuto, podem atingir os alvéolos
pulmonares; já as grossas ficam retidas na parte superior do sistema respiratório.
• Fumaça (FMC): Está associada ao material particulado suspenso na atmosfera proveniente
dos processos de combustão. O método de determinação da fumaça é baseado na medida
de refletância da luz que incide na poeira (coletada em um filtro), o que confere a esse
parâmetro a característica de estar diretamente relacionado ao teor de fuligem na atmosfera.
O MP pode ser primário, sendo emitido diretamente por fontes naturais e antrópicas.
Vulcões e oceanos emitem grandes quantidades de material particulado; os ventos no deserto
do Saara, por exemplo, suspendem uma grande quantidade de areia, uma parte da qual atinge
a Amazônia. Nessa categoria também são incluídos os bioaerossóis, como pólen, esporos e
microrganismos. Esses materiais particulados primários naturais normalmente têm diâmetros
relativamente grandes, ou seja, são encontrados no material particulado grosso. Já os emitidos
diretamente por fontes antrópicas, como a fumaça que sai dos escapamentos de caminhões
e ônibus ou de chaminés industriais, são normalmente partículas de tamanhos menores.
Boa parte do material particulado fino (com diâmetro menor que 2,5 mm) é secundária, ou
seja, é formada a partir de reações químicas de outros compostos na atmosfera, como óxidos
de enxofre, óxidos de nitrogênio e compostos orgânicos voláteis.
O tempo de permanência do MP na atmosfera varia, dependendo de seu tamanho e da
precipitação. Partículas grandes e mais pesadas, com diâmetros maiores que 10 mm, tendem a
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ficar suspensas na atmosfera por volta de um dia, antes de se depositar nas superfícies. A esse
processo denominamos de deposição seca (por exemplo, a poeira que se acumula nos móveis
de casa). Entretanto, quanto menor a partícula, mais tempo ela tende a ficar na atmosfera.
Partículas menores que 1mm podem ficar várias semanas suspensas na atmosfera. Além da
deposição seca, os processos de deposição úmida também auxiliam na remoção deste MP
da atmosfera. A deposição úmida pode ser dividida em duas classes: “dentro de nuvens
(in cloud)” e “fora de nuvens (below cloud)”. A remoção de MP por processos “dentro de nuvens
(in cloud)” ocorre quando o MP age como um núcleo de condensação e, ao seu redor, a água é
incorporada, originando uma gota de nuvem. A remoção “fora de nuvens (below cloud)” ocorre
quando o MP é carregado por gotas de nuvem ou chuva já formadas.
Monóxido de carbono (CO)
É o principal poluente em áreas urbanas. É um gás incolor e inodoro que resulta da queima
incompleta de combustíveis de origem orgânica (combustíveis fósseis, biomassa etc). Assim,
sua principal fonte é a frota veicular. Altas concentrações de CO são encontradas em áreas de
intensa circulação de veículos.
Dióxido de enxofre (SO2)
É um gás incolor, que resulta principalmente da queima de combustíveis que contêm
enxofre, como carvão, óleo diesel, óleo combustível industrial e gasolina. Nas cidades, é
emitido principalmente por veículos pesados (caminhões e ônibus que utilizam o diesel
como combustível). Compostos contendo enxofre podem ser emitidos naturalmente, tanto
em erupções de vulcões como em partículas de sulfato nos sprays marinhos. Na atmosfera, o
dióxido de enxofre é rapidamente oxidado, formando poluentes secundários, como o ácido
sulfúrico, que é um dos principais componentes da chuva ácida.
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Compostos orgânicos voláteis (COVs)
Apesar de não serem poluentes legislados pelo CONAMA, são importantes no estudo da
química atmosférica. Representam uma classe de compostos orgânicos formados principalmente
de hidrocarbonetos. À temperatura ambiente, podem ser encontrados na forma de gás, sólido
ou líquido. A variedade de compostos é enorme, mas o metano (que se encontra na forma
gasosa, é emitido também por fontes naturais e não apresenta risco à saúde) é o COV mais
abundante. Assim, quando nos referirmos aos COVs, estaremos considerando os compostos
orgânicos voláteis, com exceção do metano. Nas cidades, esses gases e vapores resultam da
queima incompleta e evaporação de combustíveis e de outros produtos orgânicos voláteis.
Diversos hidrocarbonetos, como o benzeno, são cancerígenos e mutagênicos, não havendo
uma concentração no ambiente totalmente segura. Eles participam ativamente das reações de
formação da “névoa fotoquímica”.
A névoa fotoquímica, também chamada de smog fotoquímico, recebe tal denominação por
causar a diminuição de visibilidade na atmosfera.
Óxidos de nitrogênio (NOx)
São as somas de óxido de nitrogênio (NO) e dióxido de nitrogênio (NO2), que são gases
formados durante processos de combustão em altas temperaturas, quando o gás nitrogênio
(N2) do ar reage com o oxigênio (O
2). Em grandes cidades, os veículos geralmente são os
principais responsáveis pela emissão dos óxidos de nitrogênio. O NO é oxidado rapidamente
na atmosfera para NO2 e tem papel importante na formação de oxidantes fotoquímicos,
como o ozônio. Dependendo das concentrações, o NO2 pode causar prejuízos à saúde.
Ozônio (O3)
Oxidantes fotoquímicos é a denominação que se dá à mistura de poluentes secundários
formados pelas reações entre os óxidos de nitrogênio e compostos orgânicos voláteis na
presença de luz solar. Por ser o principal produto dessa reação, o ozônio é utilizado como
parâmetro indicador da presença de oxidantes fotoquímicos na atmosfera. Tais poluentes
formam a chamada névoa fotoquímica.
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Além de prejuízos à saúde, o ozônio pode causar danos à vegetação. É sempre bom
ressaltar que o ozônio encontrado na faixa de ar próxima ao solo (troposfera, onde respiramos)
é chamado de “mau ozônio”, pois é tóxico. Entretanto, na estratosfera (a cerca de 25 km
de altitude), o ozônio tem a importante função de proteger a Terra dos raios ultravioleta
emitidos pelo Sol, como se fosse um filtro.
10.3 Ozônio na troposferaO O
3 é formado naturalmente na atmosfera, tanto na estratosfera, onde forma a camada de
ozônio, quanto na troposfera. Aqui será descrita a química do ozônio troposférico, enquanto na
seção 10.4 a do ozônio estratosférico.
10.3.1 Química básica do ozônio
A luz solar, com radiação de comprimentos de onda menores que 0,41 µm (aqui representada
como hν), dissocia o dióxido de nitrogênio em óxido nítrico e oxigênio atômico:
10.1
O oxigênio atômico, por sua vez, combina-se com um oxigênio molecular na presença de
uma terceira molécula (M, normalmente N2, pois é a molécula mais abundante na atmosfera),
formando o ozônio:
10.2
O ozônio é, então, destruído, ao reagir com o óxido de nitrogênio:
10.3
NO2 + hν → NO + O
O + O2 + M → O
3 + M
O3 + NO → NO
2 + O
2
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Havendo radiação solar, o dióxido de nitrogênio se dissocia novamente, voltando à reação
10.1. Portanto, nesse ciclo, há formação e consumo de ozônio, caracterizando uma condição
de estado foto-estacionário. Porém, em determinadas condições de concentração dos NOx e
presença dos COVs emitidos, podem ocorrer eventos de “smog fotoquímico”. Nas grandes
cidades, no entanto, há um grande acúmulo de ozônio, principalmente durante as primeiras
horas da tarde de um dia bastante ensolarado. Esse acúmulo de ozônio só é possível se o NO
deixar de reagir com o O3 (como na reação 10.3). Numa atmosfera urbana, o NO reage com
os COVs, produzindo NO2 e outros produtos e, assim, deixa de consumir O
3, que acaba se
acumulando em concentrações significativas. De uma maneira bastante simplificada, a reação
10.3 é substituída pela reação 10.4, esquematizada na Figura 10.1.
10.4 COV + NO → NO2 + outros COVs
Figura 10.1: Esquema simplificado das reações que formam eventos de “smog fotoquímico”. / Fonte: adaptado de Adalgiza Fornaro, IAG/USP.
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10.4 Ozônio na EstratosferaA camada de ozônio encontra-se na estratosfera, a, aproximadamente, 25 km de altura.
Ela protege os seres vivos na Terra dos danos causados pela radiação ultravioleta do Sol.
Raios ultravioleta em excesso, principalmente na faixa do UV-B (de 280 a 320 nm de
comprimento de onda) e de comprimentos de onda menores, que atinjam a superfície
terrestre, podem acarretar sérios prejuízos à saúde do homem e ao meio ambiente em geral.
O O3 forma-se naturalmente na estratosfera, num ciclo descoberto por Sydney Chapman
em 1930, como mostra a Figura 10.2.
Figura 10.2: Ozônio estratosférico. / Fonte: adaptado de Canal Ciência.
GlossárioChuva ácida: qualquer forma de precipitação (envolvendo ou não a água) com elevados níveis de ácidos
nétrico e sulfúrico. Portanto, a chuva ácida está associada tanto com a deposição seca e úmida.
Deposição seca: queda de pequenas partículas e gases sobre a superfície terrestre, sem haver chuva, granizo, neve e nevoeiro.
Deposição úmida: processo pelo qual os aerossóis e gases são removidos da atmosfera e depositados na superfície terrestre através da chuva, granizo, neve e nevoeiro.
Evapotranspiração: O termo evapotranspiração está relacionado à evaporação da água do solo, rios, lagos, represas, oceanos etc. e à transpiração das plantas.
Hidrocarbonetos: Compostos orgânicos formados por carbono e hidrogênio.
Inversão térmica: quando uma camada de ar frio encontra-se abaixo de uma de ar quente. Como o ar frio é mais denso ele não consegue ascender verticalmente. Assim, em geral, não haverá dispersão de poluentes.
Poluente atmosférico: qualquer forma de matéria ou energia com intensidade e em quantidade, concentração, tempo ou características em desacordo com os níveis estabelecidos pelo conselho nacional do meio ambiente (CONAMA) e que causem problemas ao homem, fauna e flora.
Poluentes primários: aqueles que são emitidos diretamente por uma fonte.
Poluentes secundários: aqueles que são formados na atmosfera, por exemplo, por reações químicas entre poluentes primário e constituintes naturais da atmosfera.