Almeida CNA04 - CESAM

Contribuição da circulação automóvel para o aerossol
atmoférico na zona Norte de Lisboa
S.M. Almeida1, C.A. Pio2, M.C. Freitas3, M.A. Reis4, M.A. Trancoso5
1
Instituto Tecnológico e Nuclear, Apartado 21, E.N.10, 2686-953 Sacavém; [email protected]
2
5
Departamento de Ambiente e Ordenamento, Universidade de Aveiro, 3800 Aveiro;
[email protected].
3
Instituto Tecnológico e Nuclear, Apartado 21, E.N.10, 2686-953 Sacavém; [email protected]
4
Instituto Tecnológico e Nuclear, Apartado 21, E.N.10, 2686-953 Sacavém; [email protected]
Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e Inovação, LAACQ, , Estrada do Paço do Lumiar
nº 22, 1649-038 Lisboa; [email protected]
Resumo
Durante o ano de 2001, material particulado foi recolhido na Bobadela duas vezes por semana e a
sua composição química foi determinada pelas técnicas INAA (Sc, Ti, Fe, Co, Zn, As, Se, Br, Sb,
La, Sm e Hg), PIXE (Al, Si, V, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Pb) Absorção Atómica (Na+, Mg2+, K+, Ca2+),
Cromatografia Iónica (Cl-, NO3- e SO42-), Espectrofotometria de Ultravioleta (NH4+) e por um
Método Termo-óptico (carbono orgânico e carbono negro). As fontes, responsáveis pelos principais
níveis de poluição atmosférica observados, foram identificadas através da Análise de Componentes
Principais (ACP), aplicada às concentrações dos constituintes do aerossol presentes na fracção fina
(PM2.5). A determinação quantitativa da contribuição de cada fonte para as concentrações
observadas foi efectuada através de uma regressão multilinear. A ACP identificou 7 factores que
estão associados: 1) ao aerossol mineral; 2) ao aerossol marinho; 3) à combustão de fuel óleo; 4) à
emissão de poluentes pelos tubos de escape dos veículos automóveis; 5) a uma fonte relacionada
com a circulação de veículos e processos industriais de combustão; 6) a uma fonte industrial
emissora de Se e Hg; e 7) aos aerossóis derivados de processos de conversão gás-partícula. Três
grupos de fontes foram identificados pela ACP como estando associados directa ou indirectamente
a emissões por veículos automóveis: 1) a emissão de poluentes pelo tubo de escape dos veículos
motorizados, identificada numa componente correlacionada com o NO3-, carbono orgânico e
carbono negro, que contribui em média para 22% da massa de partículas na fracção fina; 2) a
emissão dos metais Cu, Zn, Sb e Pb, que resultam essencialmente de processos de desgaste de
travões e pneus (apesar de estarem também associados à combustão de carvão e à incineração) e
que contribuem em média para 14% da massa de partículas na fracção fina; 3) e uma componente
associada ao aerossol mineral, cuja contribuição nos dias da semana é em média 2,5 vezes superior,
durante o período de Outono/Inverno, indicando que a circulação de veículos automóveis tem
também um papel significativo na ressuspensão de poeiras.
Palavras Chave
Circulação automóvel, aerossol atmosférico, Lisboa, PM2,5
Introdução
Lisboa, apesar de ser uma cidade em progressivo abandono populacional, enche-se de pessoas
durante os dias de trabalho, enquanto que no exterior da cidade a situação se inverte. Com o
despovoamento, os alfacinhas activos no mercado de trabalho são pouco mais de 250 mil, mas o
emprego sediado na capital supera o meio milhão de postos de trabalho, o que significa que cerca de
dois terços da mão de obra da sub-região da Grande Lisboa está concentrada na capital (Vieira,
2004).
Quando uma região como Lisboa e Vale do Tejo tem uma cidade – Lisboa – que agrega pouco mais
de 15 por cento da sua população, mas concentra quase metade do mercado de trabalho é inevitável
que as emissões resultantes do tráfego automóvel sejam significativas, principalmente quando a
rede de transportes públicos existente é insuficiente e desarticulada. A Comissão Europeia, a 8 de
Julho de 2004 processou Portugal pela ausência de planos de redução da contaminação do ar, em
especial em Lisboa e no Porto, que registaram elevadas concentrações de poluentes causadores de
problemas respiratórios e morte prematura (Público, 2004). Entre as medidas que deveriam ser
tomadas, inclui-se a restrição da circulação de veículos automóveis.
Nos últimos anos, as emissões características dos veículos alteraram-se devido ao desenvolvimento
de modernos conversores catalíticos, alterações nos aditivos do óleo dos motores e, essencialmente,
modificações nos combustíveis.
Com a entrada em vigor de legislação que limita a utilização de gasolina com chumbo foi possível
verificar-se, nos últimos anos, um decréscimo das concentrações de Pb, em estudos efectuados em
Portugal (Freitas et al., 2003). Os elementos considerados como principais traçadores deste tipo de
emissão – o Pb, Br e Cl, associados a compostos PbBrCl, deixaram de ser eficientemente utilizados
para tal objectivo.
Por forma a dar uma resposta a este facto, vários grupos de trabalho têm sugerido novos elementos
traçadores com base em estudos da composição das emissões de veículos (Wechwerth, 2001; Huang
et al., 1994; Samara et al., 2003; Sternbeck et al., 2002; Kim e Hopke, 2003).
Weckwerth (2001) identificou o Cu e o Sb como os principais elementos associados à acção dos
travões; o Zn como metal derivado do desgaste dos pneus na estrada; e o Zn, Mo, Ni, Cu, Ag, Cd,
Sb, Br e Se como os principais elementos emitidos pelos escapes, já que, o Zn, Mo e Cu são
utilizados como aditivos para melhorar a qualidade da gasolina, funcionando como anticorrosivos,
lubrificantes e anti-oxidantes. Huang et al. (1994) sugerem uma combinação de Zn, Br e Sb como
elementos traçadores de emissões de veículos motorizados. Sternbeck et al. (2002) referem que os
metais com origem nos veículos (Cu, Zn, Cd, Sb, Ba e Pb) resultam essencialmente de processos de
desgaste e não de processos de combustão, sendo que o Cu, Ba e Sb derivam principalmente do
desgaste dos travões. Segundo Samara et al. (2003), os principais componentes emitidos pelos
veículos que utilizam os combustíveis gasóleo ou gasolina são o carbono orgânico e o carbono
elementar, sendo o Fe, Cl-, Ca2+ e K os compostos mais abundantes nas emissões de veículos com
catalisador. Estes autores referem também o NH4+ como um poluente associado a um inapropriado
funcionamento do conversor catalítico.
Neste trabalho pretendeu estimar-se a contribuição da circulação automóvel para as partículas
atmoféricas com diâmetro aerodinâmico (DA) inferior a 2,5 µm (PM2,5), ou seja, para as partículas
finas.
Métodos
A amostragem de material particulado foi realizada no Campus do Instituto Tecnológico e Nuclear,
localizado na Bobadela - uma zona urbano-industrial localizada nos arredores de Lisboa, que sofre a
influência dos movimentos pendulares entre a cidade e as zonas residências posicionadas a Norte da
capital.
A recolha de partículas foi efectuada com um colector de baixo caudal (colector Gent) e um
colector de elevado caudal (Hi-Vol). No ano 2001, os colectores Gent e Hi-Vol operaram em
paralelo durante 24 horas e em regime bi-semanal, sendo uma das amostragens realizada num dia de
semana variável e a outra realizada ao domingo.
A concentração mássica das partículas foi determinada por análise gravimétrica dos filtros antes e
após a amostragem.
A caracterização química das partículas foi efectuada por INAA (Sc, Ti, Fe, Co, Zn, As, Se, Br, Sb,
La, Sm e Hg), PIXE (Al, Si, V, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Pb) Absorção Atómica (Na+, Mg2+, K+, Ca2+),
Cromatografia Iónica (Cl-, NO3- e SO42-), Espectrofotometria de Ultravioleta (NH4+) e por um
Método Termo-óptico (carbono orgânico e carbono negro).
As fontes, responsáveis pelos principais níveis de poluição atmosférica observados, foram
identificadas através da Análise de Componentes Principais (ACP) aplicada às concentrações dos
constituintes do aerossol presentes no PM2,5. A determinação quantitativa da contribuição de cada
fonte para as concentrações observadas foi efectuada através de uma regressão multilinear
(Almeida, 2004).
Resultados e discussão
Na Tabela 1 são apresentadas as médias das concentrações obtidas no posto de amostragem da
Bobadela durante o ano de 2001, para os constituintes das partículas medidos na fracção fina do
aerossol.
Tabela 1: Média das concentrações obtidas para PM2,5 no posto de amostragem da Bobadela no ano de
2001. Valores em ng/m3. PM - Concentração total de partículas; CO – Carbono orgânico; CN –
Carbono negro.
PM Al
Si
Sc
Ti
200 0,013 8,5
Média 24000 77
Sb
La
Sm
Hg Pb
Média 1,5 0,067 0,011 0,061 8,6
V
6,7
Mn
2,3
SO42- NO33900 1300
Fe
120
Cl250
Co Ni
0,087 2,6
+
NH4+ Na
1300 400
Cu
5,4
K+
130
Zn
18
Mg2+
52
As
0,31
Ca2+
380
Se
0,51
Br
3,0
CO
4300
CN
1500
As características industriais/urbanas da zona em estudo fazem com que as espécies maioritárias do
aerossol sejam o SO42-, NO3-, NH4+, carbono orgânico e carbono negro. No entanto, os teores destes
componentes observados na zona urbano-industrial de Lisboa são inferiores aos verificados noutras
áreas urbanas europeias por Putaud et al. (2004). Este facto deve-se possivelmente à localização de
Portugal relativamente ao oceano, que promove uma maior dispersão de poluentes.
A posição geográfica de Portugal face ao oceano faz também com que a contribuição do mar,
traduzida numa contribuição significativa dos iões Na+ e Cl- para o aerossol atmosférico, seja, em
Lisboa, superior à verificada noutros locais da Europa (Putaud et al., 2004).
A influência do solo, onde se destacam os elementos Al, Si, Fe e Ca2+, é também visível nas
características do aerossol amostrado. A presença destas espécies é particularmente marcada em
eventos de transporte de massas de ar oriundas do Sul da Europa e Norte de África (Almeida,
2004).
A ACP, aplicada às concentrações das espécies de aerossóis medidas na fracção fina (Tabela 2),
identificou 7 factores que estão associados: 1) ao aerossol mineral, identificado pelos elementos Al,
Si, Sc, Ti, Mn, Fe, Co, La, Sm e Ca2+; 2) à emissão de poluentes pelos tubos de escape dos veículos
automóveis, identificada pelo NO3-, carbono orgânico e carbono negro; 3) à combustão de fuel óleo,
identificada pelos elementos V e Ni; 4) a uma fonte industrial, identificada pelos elementos Se e
Hg; 5) aos aerossóis derivados de processos de conversão gás-partícula correlacionados com o SO42e NH4+; 6) ao aerossol marinho, correlacionado com os elementos Na+, Cl- e Mg2+ e 7) a uma fonte
relacionada com a circulação de veículos (principalmente processos de desgaste de travões e pneus)
e processos industriais de combustão, correlacionada com os elementos Cu, Zn, Sb e Pb.
Tabela 2: Resultados da ACP, com Rotação Varimax normalizada, aplicada às concentrações das
partículas no PM2,5. Indicados apenas os coeficientes de ponderação, cujo valor absoluto é maior ou
igual a 0,20, encontrando-se assinalados a negrito os coeficientes de ponderação maiores ou iguais a
0,65.
F. Fina
Al
Si
Sc
Ti
V
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
As
Se
Br
Sb
La
Sm
Hg
Pb
ClNO3SO42K+
Na+
Ca2+
Mg2+
NH4+
CP1
CP2
CP3
CP4
CP5
CP6
CP7
Solo
Veículos
Fuel
Se/Hg
Secund.
Mar
Ind./Veíc.
0.97
0.98
0.99
0.94
0.93
0.82
0.93
0.58
Var.Tot. Expl.(%)
0.56
0.92
0.61
0.21
0.83
0.29
0.54
0.33
0.34
0.26
0.59
0.51
0.87
0.21
0.99
-0.37
0.50
0.97
0.98
0.99
0.53
-0.40
-0.81
0.94
0.24
0.27
-0.68
0.86
0.66
-0.60
0.76
CO
CN
Var.Expl.
0.34
0.21
0.39
8.3
28.7
0.23
-0.60
0.41
0.90
0.71
5.1
17.7
0.22
0.36
0.84
0.21
3.0
10.2
2.1
7.2
-0.22
2.2
7.7
-0.60
1.8
6.2
1.9
6.5
Comun.
0.99
0.99
0.99
0.94
0.97
0.87
0.99
0.85
0.96
0.91
0.80
0.88
0.98
0.57
0.80
0.99
1.00
0.98
0.83
0.83
0.90
0.97
0.64
0.98
0.86
0.98
0.98
0.91
0.76
24.4
84.3
Três grupos de fontes foram identificadas pela ACP como estando associadas directa ou
indirectamente a emissões por veículos automóveis: 1) a emissão de poluentes pelo tubo de escape
dos veículos motorizados; 2) a emissão dos metais resultantes de processos de desgaste de travões e
pneus e 3) uma componente associada ao aerossol mineral, sendo que a circulação de veículos
automóveis tem também um papel significativo na ressuspensão de partículas.
A Figura 1 apresenta a contribuição média relativa de cada uma das fontes identificadas para a
concentração de PM2,5.
Escape
22%
Travões/Pneus
14%
Não identificado
6,6%
Solo
16%
Comb.
fuel-óleo
8,0%
Aeros.
Secundário
25%
Mar
8,5%
Se/Hg
0,19%
Fig.1: Contribuição média relativa de cada um a das fontes identificadas pela ACP para a concentração
de PM2,5.
22% da massa de partículas na fracção fina resulta da emissão de poluentes pelo tubo de escape dos
veículos motorizados.
O NO3- aparece essencialmente associado a emissões de tráfego automóvel, na medida em que
apresenta como principal percursor o NOx, emitido pelos veículos motorizados. Esta elevada
correlação do tráfego automóvel com o NO3- foi igualmente observada, na fracção fina, por Pio et
al. (1996) e por Harrison et al. (1997), indicando que este componente secundário resulta das
emissões dos escapes dos automóveis e, que nesta fracção granulométrica, a sua formação ocorre
rapidamente mediante determinadas condições meteorológicas.
O NO3- apresenta uma sazonalidade caracterizada por concentrações mais elevadas nos meses frios
do ano e teores mais reduzidos nos meses quentes. A principal causa de variação da concentração
do nitrato ao longo do ano deve-se à alteração do equilíbrio da reacção NH4NO3 (s)↔HNO3
(g)+NH3(g), para a fase sólida nos meses mais frios e para a fase gasosa nos meses quentes. A
ocorrência de HNO3 gasoso é superior nas estações quentes devido ao aumento da actividade
fotoquímica verificada nesta altura do ano. Adicionalmente, o facto do NH4NO3 ser extremamente
volátil, faz com que, em condições de temperatura elevada e humidade relativa reduzida, o
composto não seja termodinamicamente estável, regenerando-se os seus precursores. Assim, a
alteração do equilíbrio da reacção NH4NO3 (s)↔HNO3 (g)+NH3(g) para a fase sólida, nos meses
mais frios, e para a fase gasosa, nos meses quentes, faz com que a contribuição dos veículos seja
superior nos meses de Outono/Inverno (30%) e inferior nos meses de Primavera/Verão (14%). Para
além disso, nos meses de Outono/Inverno esperam-se concentrações superiores, devido a uma maior
circulação automóvel e a condições de dispersão menos favoráveis, na medida em que a camada de
mistura possui uma menor altitude.
Apesar de ser um composto secundário, o NO3- não apresenta qualquer correlação com a
componente associada aos compostos resultantes de processos de conversão gás-partícula, na qual
estão correlacionados o SO42- e o NH4+.
O carbono pode ser emitido directamente pelos veículos, ou pode resultar: 1) de reacções
fotoquímicas de compostos orgânicos voláteis; 2) da condensação de compostos orgânicos voláteis
primários menos voláteis; e 3) da adsorção de compostos orgânicos voláteis na superfície do
carbono negro.
As emissões de carbono negro têm aumentado devido à proliferação dos veículos a diesel no
mercado automóvel da União Europeia. Estes veículos são responsáveis, na União Europeia, por
cerca de 88% do total das emissões de carbono negro (Castro, 1997). Em Portugal, a percentagem
de emissões devido à utilização de diesel é das mais elevadas, situação certamente decorrente do
preço mais reduzido deste combustível e do elevado número de automóveis ligeiros de mercadorias
existente em Portugal, consequência dos benefícios fiscais que estes veículos apresentam
relativamente aos automóveis ligeiros de passageiros (Castro, 1997).
14% da massa de partículas no PM2,5 resulta da contribuição de uma componente principal
correlacionada com os metais Cu, Zn, Sb e Pb. A existência de uma elevada associação entre estes
metais e a circulação de veículos automóveis resulta essencialmente de processos de desgaste de
travões e pneus (Sternbeck et al., 2002). No entanto, estes metais estão também associados à
combustão de carvão e incineração.
Na fracção fina, a contribuição média do solo para a massa de PM2,5 é de 16%. No entanto,
verificou-se que a contribuição do solo nos dias da semana é em média 2,5 vezes superior, durante o
período de Outono/Inverno (Almeida, 2004), indicando que a circulação de veículos automóveis
tem também um papel significativo na ressuspensão de poeiras.
Nas estações de Outono/Inverno as condições meteorológicas proporcionam uma maior
aglomeração das partículas e dificultam a sua ressuspensão. A circulação dos veículos seca as
estradas, o que não só causa a desagregação das partículas, como também potencia a sua
ressuspensão. No período de Primavera/Verão a poeira encontra-se naturalmente em suspensão e,
portanto, o efeito da circulação automóvel na ressuspensão de partículas não é tão notório.
Conclusões
A composição atmosférica da região norte de Lisboa apresenta características muito particulares,
que advêm da conjugação da sua localização com a actividade industrial que aí se pratica e com a
elevada densidade populacional que, por sua vez, faz com que a circulação automóvel, sobretudo
em direcção à cidade de Lisboa, seja particularmente intensa. A zona norte de Lisboa está sob a
influência de emissões associadas a uma elevada circulação automóvel, provenientes não só dos
movimentos pendulares da população residente em Loures e Vila Franca de Xira que se desloca
diariamente para o centro da cidade, mas também da dispersão de poluentes da cidade de Lisboa.
A emissão de poluentes pelos tubos de escape é uma das principais fontes identificadas no local de
estudo, contribuindo em média para 22% da massa de PM2,5. Esta actividade está associada
principalmente à emissão de NO3-, carbono orgânico e carbono negro.
O Zn, o Sb e o Cu estão também associados à circulação automóvel, não tanto pelas emissões de
poluentes pelo escape, mas sim pelo desgaste de pneus e travões. A componente associada a estes
elementos apresenta uma contribuição média anual de 14% para a concentração de PM2,5.
O solo apresenta uma contribuição média anual de 16% para a massa de PM2,5. O aerossol mineral
tem uma composição semelhante à constituição do solo, rica em Al, Si, Sc, Ti, Mn, Fe, La, Sm e
pode resultar de processos de ressuspensão, já que a contribuição do solo nos dias da semana é em
média 2,5 vezes superior, durante o período de Outono/Inverno.
Com base nos resultados obtidos, a elaboração de uma estratégia para a redução das concentrações
de material particulado, terá obrigatoriamente que passar por uma contenção das emissões do
tráfego automóvel – um dos principais responsáveis pelas emissões de partículas primárias e
secundárias na região em estudo. A criação de uma rede de transportes públicos coordenada e
apelativa é essencial para que a população não sinta que a utilização do transporte privado
compensa tanto a nível económico como de rapidez e de conforto. Um diferente ordenamento do
território, que passe pela criação de zonas mistas onde a população reside e trabalha, poderá
diminuir as distâncias percorridas diariamente pela população. Para além disso, será importante
continuar a investir em tecnologias e em combustíveis menos poluentes.
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