1.1. Poluição Atmosférica

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1. Atmosfera

A atmosfera é um sistema constituído por gases, partículas sólidas e líquidas, que mantém entre si, processos de interação física e química constantes. É vital para o planeta, pois regula o clima e atua como meio de transporte e reservatório de substâncias indispensáveis a vida, como água, oxigênio e gás carbônico. A atmosfera também protege a superfície terrestre dos raios ultravioleta provenientes do sol (MELO, 1997).

A atmosfera possui cinco camadas principais que são classificadas pela altitude: em troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera e exosfera (Figura 1). A faixa de temperatura também é característica de cada camada. Contudo, para nosso estudo, a camada mais importante é a troposfera, pois está mais próxima da superfície da Terra, onde as condições meteorológicas acontecem e a vida ocorre (MAGALHÃES, 2005; REBELATTO, 2005).

A troposfera é composta de uma variedade de gases: nitrogênio (78,11%), oxigênio (20,95%), e os gases traço tais como argônio (0,934%) entre outros (0,033%) (BAIRD, 2002; BRAGA, B. et al, 2002). Por causa do intenso movimento das energias térmicas e variações da temperatura, esta camada é bastante instável, sujeita à convecção de correntes de ar ascendentes devido ao aquecimento na superfície. Essa camada inicia na superfície da terra, no nível do mar, até 12 km de altura. Nessa faixa, ocorrem os fenômenos climáticos, como formação de nuvens e chuvas, ventos, tornados e furacões, fenômenos importantes para a dispersão de material particulado, tanto biogênico quanto pirogênico, uma vez que é na troposfera que ocorre a maior concentração dos poluentes (FERREIRA, 2006; SEINFELD & PANDIS, 2006). PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0821410/CA

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Figura 1: Representação das camadas que envolvem a Terra com a variação média de temperatura e altitude. Fonte: http://www.caastro.hpg.ig.com.br/IN0009.gif - 09/04/2010

1.1. Poluição Atmosférica

Conceitua-se poluente atmosférico qualquer forma de energia ou matéria com intensidade e em quantidade, concentração, tempo ou características em desacordo com os níveis estabelecidos e que tornem ou possam tornar o ar impróprio, nocivo ou ofensivo à saúde, causando mal ao bem estar público, danos aos materiais, à flora e a fauna, prejuízos à segurança, ao uso e ao gozo das propriedades de atividades normais da comunidade (CONAMA 03/1990; MELO 1997).

Fator importante para um bom estudo dos poluentes atmosféricos em uma determinada região é o conhecimento das fontes desses poluentes, que estão intimamente ligados com as atividades antropogênicas, proximidades com as grandes rodovias e atividades naturais. Levando em consideração essas características, as fontes se classificam em:

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9 Fontes estacionárias – Subdividida em dois grupos: Processos não industriais, representados pelos poluentes emitidos de hospitais, padarias, hotéis e queimadas, e processos industriais de características significativas. 9 Fontes móveis – Representadas pelos meios de transportes aéreos,

marítimos e terrestres.

A Figura 2 mostra que 77% dos poluentes emitidos são das fontes móveis e 23% das fontes estacionárias.

Figura 2: Contribuição de fontes poluidoras da RMRJ Fonte: Relatório da Qualidade do Ar (INEA, 2008).

9 Fontes naturais – Processos naturais, como sal marinho, erupções vulcânicas etc.

A Tabela 1 mostra os poluentes monitorados pelo INEA, relacionados com suas principais fontes e os efeitos adversos na saúde.

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Tabela 1: Poluentes monitorados, suas origens e efeitos á saúde.

Poluentes Fontes de emissão Efeitos à saúde

Partículas em suspensão (poeira)

Poeiras diversas, queimadas, combustão incompleta da

indústria e de motores.

Interfere no sistema respiratório, pode afetar

pulmões e todo o organismo.

Dióxido de enxofre SO2

Queima de combustíveis fósseis que contenham

enxofre.

Ação irritante nas vias respiratórias. Agrava os sintomas da asma e da bronquite crônica. Óxidos de nitrogênio NO2 e NO Queima de combustíveis em altas temperaturas, como em veículos, aviões, fornos e

incineradores.

Em altas concentrações, pode causar irritações no sistema respiratório e

edema pulmonar.

Monóxido de carbono CO

Combustão incompleta de materiais que contenham carbono, como os derivados

de petróleo e carvão.

Perigoso para os que possuem problemas cardíacos e pulmonares provoca dificuldades respiratórias e asfixia. Ozônio Formado na atmosfera através da reação entre os

compostos orgânicos voláteis e óxidos de nitrogênio em presença de

luz solar.

Irritações nas vias respiratórias e nos olhos,

agravando doenças pré-existentes, como asma e

bronquite. Fonte: Relatório da qualidade do ar (INEA, 2008). PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0821410/CA

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1.2. Padrões da qualidade do ar

A legislação brasileira relativa a qualidade do ar tem como referência as leis da Agência Nacional de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (US EPA). A EPA estabeleceu em 1970 um grupo de poluentes prioritários, ou seja, aqueles que podem causar danos à saúde humana e ao seu bem estar. Um padrão de qualidade do ar define legalmente as concentrações máximas de um componente atmosférico para garantir a proteção da saúde e do bem estar das pessoas. Esses padrões são baseados em estudos dos efeitos produzidos por poluentes específicos e são fixados em níveis que possam propiciar uma margem de segurança adequada (CETESB, 1992).

O material particulado inalável de diâmetro aerodinâmico menor ou igual a 10 µm se encontra dentro dos principais poluentes atmosféricos que podem atingir as vias respiratórias (ARBEX, 2001). De acordo com a EPA, o limite de PM10 adotado é de 150µg m-3_{por um tempo de amostragem de 24 horas, e não deve ser}

excedido mais de uma vez ao ano (Relatório da Qualidade do ar 2008).

A Portaria Normativa nº 348 de 14/03/90 e a Resolução CONAMA nº 03/90 estabelecem os padrões nacionais de qualidade do ar. No Brasil são estabelecidos dois tipos de padrões de qualidade do ar: primários e secundários. Padrões primários de qualidade do ar são as concentrações de poluentes que, sendo ultrapassadas, poderão afetar a saúde da população. Podem ser entendidos como níveis máximos toleráveis de concentração de poluentes atmosféricos, constituindo-se em metas de curto e médio prazo. São padrões constituindo-secundários de qualidade do ar as concentrações de poluentes atmosféricos abaixo das quais se prevê o mínimo efeito adverso sobre o bem estar da população, assim como o mínimo dano à fauna e à flora, aos materiais e ao meio ambiente em geral. Podem ser entendidos como níveis desejados de concentração de poluentes, constituindo-se em meta de longo prazo. O objetivo do estabelecimento de padrões secundários é criar uma base para uma política de prevenção da degradação da qualidade do ar. Deve ser aplicado a áreas de preservação (por exemplo: parques nacionais, áreas de proteção ambiental, estâncias turísticas, etc.). Como prevê a própria Resolução CONAMA nº 03/90, a aplicação diferenciada de padrões primários e secundários requer que o território nacional seja dividido em classes I, II e III, conforme o uso pretendido. A

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mesma resolução prevê ainda que, enquanto não for estabelecida a classificação das áreas, os padrões aplicáveis serão os primários.

Em outubro de 2006, os padrões da qualidade do ar estabelecidos pela OMS (Organização Mundial de Saúde) tornaram-se mais rigorosos. Os novos limites recomendados para as concentrações de quatro poluentes, consideradas toleráveis para a saúde, foram reduzidos em relação aos patamares anteriores. Três desses índices - material particulado, dióxido de enxofre e ozônio - são mais restritivos que os adotados no Brasil.

A Tabela 2 mostra os padrões nacionais fixados na Resolução CONAMA nº. 03 de 28/06/90, os padrões adotados pela Agência Nacional de Proteção Ambiental dos Estados Unidos e os níveis máximos recomendados pela Organização Mundial de Saúde para avaliação da qualidade do ar.

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Tabela 2: Padrões Nacionais e Internacionais da qualidade do ar. Poluente CONAMA µg m-3 US EPA µg m-3 OMS µg m-3 CE* µg m-3 Partículas totais em suspensão (PTS) 240 (24h)1 80 (MGA)2 Dióxido de enxofre 365 (24h)1 80 (MAA)3 365 (24h)1 80 (MAA)3 20 (24h) 500 (10 minutos) Monóxido de carbono 40.000 (1h) 1 10.000 (8h) 40.000 (1h) 10.000 (8h) 10.000 (8h) Ozônio 160 (1h) 1 147 (8h) 4 100 (8h) PM 10 150 (24h) 1 50 (MAA) 3 150 (24h) 50 24h percentil 99 20 (anual) 40 (MAA)3 Dióxido de Nitrogênio 320 (1h) 1 100 (MAA) 3 100 (MAA) 3 200 (1h) 40 (anual) PM 2,5 35 (24h) 15 (MAA)3 25 24h percentil 99 10 (MAA)2 Pb 1,5 0,5 (anual) 0,5 (anual) Cd 5,0 ng m-3 (anual) 5,0 ng m-3 (anual) Ni 1,0 20 ng m-3 (anual) V 20

(1) Não deve ser excedido mais que uma vez ao ano. (2) Média geométrica anual.

(3) Média aritmética anual.

(4) Para atender a este padrão, a média de 3 anos dos valores da quarta maior máxima diária das concentrações médias de 8 horas de ozônio medidas em cada monitor, dentro de uma área específica, a cada ano, não deve exceder 147 µg m-3. (válido a partir de 27 de maio de 2008).

(5) *CE Comunidade Européia.

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1.3. Material particulado

Para designar os poluentes atmosféricos foram criados os termos “aerossol” ou “material particulado” (MP, ou do ingles, particulate matter, PM), em 1920 por Schumauss. Essa terminologia se refere às partículas sólidas ou gotículas suspensas no ar, com dimensões menores que 100 μm, originadas de processos industriais, incineradores e veículos, etc. (ALVES, 2005). Em se tratando de qualidade do ar, o termo mais utilizado é material particulado. Esse poluente é considerado um dos principais causadores da poluição atmosférica, além de participar de fenômenos naturais que vão da formação de nuvens e de precipitação à visibilidade (LIMA, 2006).

1.3.1. Origem e Classificação do Material Particulado

Para distinguir quantitativamente e qualitativamente o material particulado, é necessário estudar algumas características, tais como fontes, tamanho e composição. As fontes podem ser naturais, tais como erupções vulcânicas, poeiras e “sprays” marinhos ou antropogênicas, como queima de combustível fóssil e processos industriais. De acordo com a sua origem, o material particulado pode ser classificado como primário ou secundário. O material particulado primário é aquele lançado diretamente na atmosfera pela fonte que o produziu; já o secundário é obtido por reações químicas dos poluentes primários com os componentes naturais da atmosfera ou por mecanismo de nucleação e condensação de produtos gasosos (ALVES, 2005).

A Figura 3 apresenta um esquema das fontes de emissão de aerossol primário e os mecanismos para formação de aerossóis secundários.

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Figura 3: Representação esquemática dos mecanismos de formação do aerossol secundário. (Fonte: Alves, 2005).

Um parâmetro importante para avaliar o comportamento do material particulado é o seu tamanho, uma vez que são variados, porém são determinantes para avaliar o tempo de residência, as propriedades ópticas (espalhamento e absorção da luz), o balanço energético da terra e os danos à saúde e ao meio ambientes (PHALEN, 1998, WILSON & SUH, 1997, e SPURNY, 1996).

O material particulado é classificado por seu tamanho considerando o diâmetro aerodinâmico médio das partículas. Essa divisão é útil, uma vez que frações de diâmetro aerodinâmico diferentes possuem propriedades físicas e químicas distintas (JACOMINO 2007).

As partículas inaláveis grossas (MP10, em inglês PM10) são as que possuem o diâmetro aerodinâmico médio no intervalo de 2,5 µm a 10 µm e as partículas finas ou respiráveis (MP2,5; em inglês PM2.5) são as inferiores a 2,5 µm. Recentemente o MP inferior a 2,5 µm é denominado de partículas quase-ultrafinas (MP 0,25, em inglês PM.25) e ultrafinas (MP 0,1, em inglês PM.1) (Figura 4) (SOLCI & FREITAS, 2009). PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0821410/CA

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Figura 4: Esquema da distribuição granulométrica das partículas da atmosfera mostrando os três modos, as principais fontes e os principais processos envolvidos na remoção em cada modo. (Fonte ALVES, 2005; FINLAYSON-PITTS E PITTS Jr., 1997).

O material fino contém partículas primárias originadas por processos de combustão por indústrias, veículos e partículas secundárias originadas de reações químicas, como por exemplo, sulfatos formados a partir do SO2, nitratos, metais

traços e material carbonáceo (SEINFELD, 1989). As partículas secundárias podem ser transportadas a longas distâncias por correntes de ar favoráveis, possui um tempo de permanência de dias ou semanas interferindo na química e na física da atmosfera, não somente em escala local, mas também em escala regional e global (KARACA, 2009). As partículas grossas são constituídas basicamente de partículas primárias, originadas de processos mecânicos, como ressuspensão de poeiras pelo vento. Estas partículas se depositam na superfície facilmente (JACOMINO, 2007; WHITBY, 1973; WILSON, 1997). PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0821410/CA

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1.4. Condições meteorológicas e transporte de longa distância

O nível de poluição atmosférico, e, especialmente, de material particulado, é afetado pelas condições meteorológicas, pois estas interferem diretamente nas concentrações médias das espécies químicas (MAGALHÃES, 2005; REBELATTO, 2005). Estudos das variáveis meteorológicas associados com a concentração dos poluentes contribuem para obtenção de dados mais completos. A presença de ventos determina a distância e a direção das partículas, assim como a ausência de ventos tende a aumentar as concentrações das mesmas. Por outro lado a chuva reduz os níveis de poluição. Na literatura, vários estudos têm sido realizados para avaliar a contribuição de poluentes atmosféricos, principalmente a concentração de material particulado, resultante de fontes de longa distância (KARACA, 2009; SPINDLER, G., 2010; SUNWOO, Y. et al, 2009; GILDEIMEISTER et al, 2007). Esses estudos mostraram que as concentrações de partículas são significativamente afetadas pelo transporte de longa distância, principalmente nas áreas rurais e nas áreas suburbanas, caracterizadas por baixas emissões locais (NIEMI et al, 2009; KARACA, 2009). Estudos realizados em Istambul mostraram as contribuições de fontes de longa distância nos níveis de material particulado. Os resultados obtidos indicaram que países do mediterrâneo, especialmente os países dos Balcãs, incluindo a parte do mar Egeu da Turquia, Grécia, Bulgária, Sérvia e Croácia, bem como o norte da Itália, leste da França, sul da Alemanha, Áustria e a parte oriental da Rússia, e os da parte central da África, são contribuintes importantes para a concentração de PM10 na atmosfera de Istambul durante a primavera e o inverno (KARACA 2009).

Duas cidades da Coréa foram selecionadas para verificar o impacto de fontes de longa distância nos poluentes atmosféricos. Neste estudo a concentração de PM10 e PM2,5 foram fortemente influenciadas por massas de ar originadas do leste e norte da China nas cidades Deokjeok & Gosan (SUNWOO, Y. et al, 2009).

Melpitz, uma cidade de características rural localizada no leste da Alemanha, apresentou variações nas concentrações de PM10 e íons solúveis em água durante o verão e o inverno em relação às massas de ar originadas, ou não, da União Européia. As concentrações de PM10 foram encontradas durante a entrada de ocidentais no verão (17 µg m-3_{), contendo baixa quantidade de sulfato (2,4 µg m}-3_),

nitrato (1,7 µg m-3_{), amônia (1,1 µg m}-3_{) e TC (3,7 µg m}-3_{). A maior concentração de}

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PM10 foi encontrada durante o inverno devido às massas de ar de origem oriental (35 µg m-3_{) com quantidades elevadas de sulfato de sódio (6,1 µg m}-3_{), nitrato (5,4}

µg m-3_{), amônia (3,8 µg m}-3_{) e CT (9,4 µg m}-3_{) (SPINDLER, G., 2010).}

Alguns estudos realizados no Brasil também mostraram que a composição química do material particulado da cidade de São Paulo e do Parque Estadual da Serra do Mar estava associada com as origens das massas de ar (BOUROTTE, et al, 2000).

1.5. Danos a Saúde e ao Meio Ambiente

O aquecimento global, a diminuição da camada de ozônio e a acidificação são efeitos bastantes preocupantes relacionados à má qualidade do ar. No entanto, o efeito na saúde humana constitui uma preocupação mais imediata para muitos peritos na área da saúde, políticos e cidadãos. A poluição atmosférica é um problema, especialmente em cidades, onde há maior densidade demográfica e maior concentração de poluentes.

A poluição atmosférica pode ser responsável por várias doenças respiratórias, como enfisema pulmonar, bronquite, asma e sinusite (GIODA e GIODA, 2006; FISCHLOWITZ-ROBERTS, 2003). Também pode ocasionar, em períodos de estagnação, desconforto físico, como ardência nos olhos, irritação na pele, nariz e garganta, sensação de cansaço e dor de cabeça, além de acentuar doenças cardiorrespiratórias e agravar o desenvolvimento do câncer pulmonar (FISCHLOWITZ-ROBERTS, 2003; WOO, 2000; CASTANHO, 1999). Nos grandes centros urbanos, devido aos altos níveis de poluição do ar, tem ocorrido um aumento da procura pelos prontos socorros, unidades básicas de saúde e hospitais. Em outras palavras, aumentam as consultas médicas, as hospitalizações e as mortes, ocasionando, também um incremento do consumo de medicamentos, nas faltas à escola e ao trabalho, além de restringirem a prática de atividades físicas.

Existem muitos estudos relacionados com a poluição atmosférica e os efeitos nocivos à saúde e ao meio ambiente e ao alto custo social que esta relação ocasiona, devido a gastos com tratamento, redução de horas de trabalho, ou estudos nos casos das crianças, além da baixa produtividade (FISCHLOWITZ-ROBERTS, 2003). Esses problemas de saúde relacionados à poluição atmosférica são reconhecidos pela Organização Mundial de Saúde (OMS).

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O tamanho do material particulado, assim como sua composição química, são as características mais relevantes relacionadas com os danos à saúde. No caso o tamanho determina o grau de penetração das partículas inaladas no trato respiratório (Figura 5). Partículas maiores não causam grandes problemas à saúde porque apresentam rápida deposição e são retidas na parte superior do sistema respiratório, sendo facilmente eliminadas. As partículas até 10 µm de diâmetro aerodinâmico apresentam mais riscos à saúde, devido à sua maior permanência em suspensão e a capacidade de penetrar mais fundo no sistema respiratório, podendo atingir os alvéolos pulmonares, sendo eliminadas lentamente (MELO, 1997). Por outro lado à composição química e a biodisponibilidade das espécies podem estar envolvidas em processos inflamatórios e de estresse oxidativo (REBELATTO, A. L., 2010)

Figura 5: Grau de penetração das partículas no trato respiratório.

Em termos ambientais, tanto as plantas quanto os animais são afetados. Nas plantas, há diminuição de resistência, prejuízo no processo reprodutivo e redução na capacidade fotossintética, devido à deposição do material particulado nas folhas e no solo, consequentemente penetrando nas raízes. A Figura 6 mostra como o

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material particulado se deposita nas folhas das plantas reduzindo desta maneira a capacidade fotossintética. Em animais, pode ocorrer acúmulo de poluentes tóxicos que podem ser transferidos a outros, através da cadeia alimentar (FISCHLOWITZ-ROBERTS, 2003; REBELATTO, 2005 ). Esse fato pode ocorrer mesmo em concentrações muito baixas das substâncias tóxicas na atmosfera, por causa do efeito cumulativo no organismo, relacionado também ao tempo de exposição. O material particulado, por apresentar na sua composição diversas espécies tóxicas (ex., hidrocarbonetos policíclicos aromáticos e metais), funciona como um veículo de transporte desses poluentes aos organismos (GIODA e GIODA, 2006).

Figura 6: Material particulado depositado nas plantas.

Estudos revelam a grande importância da caracterização do material particulado em relação à saúde e ao meio ambiente (MAGALHÃES, 2005; BAIRD, 2002). Dentre as espécies que compões o material particulado, estão os metais que por apresentarem características não-degradáveis podem acumular-se nos organismos ou nos ecossistemas e demonstrar assim sua toxicidade. Os metais não apresentam toxicidade na forma livre, somente quando ligados a cadeias curtas de átomos de carbono ou nas suas formas catiônicas, e podem formar complexos

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influenciando nas funções biológicas e afetando o funcionamento normal dos tecidos e do corpo humano. Partículas em suspensão contêm concentrações significativas de metais como Zn, Cd, Al, Fe, Mn, Ni, Pb e Cu dentre outros, que mesmo em baixas concentrações apresentam efeitos toxicológicos à saúde e ao meio ambiente (MOHANRAJ et al, 2004; WHO, 2003).

Este trabalho enfocou-se na caracterização química do material particulado de até 10 µm de diâmetro aerodinâmico devido aos riscos a saúde e ao meio ambiente, e também por ser um dos parâmetros monitorado pela legislação brasileira (CONAMA 03/1990).

O estudo da caracterização química do material particulado no Brasil é basicamente recente e ainda limitado se for considerada a extensão do País e as diferenças regionais. Estudos nesta área são necessários para definir novos padrões de qualidade do ar, uma vez que nossos padrões são baseados em referências internacionais de países cujas características econômicas e climáticas são diferentes. Diante de tantas evidências citadas se torna clara a importância de estudar mais profundamente a composição do material particulado atmosférico. Com base nestas pesquisas, será possível avaliar danos à saúde, meio ambiente e fornecer dados que ajudem os órgãos competentes a estipular limites, tomar decisões para minimizar o impacto deste poluente.