INFLUÊNCIA DA RADIAÇÃO SOLAR E UMIDADE DO AR NA CONCENTRAÇÃO DO OZÔNIO

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Revista de Ciências Exatas e da Terra UNIGRAN, v1, n.1, 2012.

INFLUÊNCIA DA RADIAÇÃO SOLAR E UMIDADE DO AR NA

CONCENTRAÇÃO DO OZÔNIO

ANA PAULA LANGARO1, EDMILSON DE SOUZA2

RESUMO: As emissões de poluentes para a atmosfera originam-se, em geral, em fontes

naturais e antropogênicas. O uso de veículos automotores, nas cidades, cresce a cada dia, tornando-se a maior fonte poluidora dentre as atividades humanas. Entre os poluentes majoritários encontrados em atmosfera urbana destaca-se o ozônio, sua formação se deve a reações químicas entre poluentes primários como monóxido de carbono, óxidos de nitrogênio, hidrocarbonetos e radiação solar. A concentração deste poluente pode variar em função de fatores do relevo, condicionantes meteorológicos e das fontes emissoras. Neste contexto este trabalho se insere, com o objetivo de estudar a relação entre a concentração de ozônio urbano e dois de seus condicionantes meteorológicos, radiação solar e umidade relativa do ar, ao longo do ano de 2005, na cidade de Três Lagoas. As medidas de ozônio são oriundas do monitoramento contínuo da estação de monitoramento qualidade do ar instalada em Três Lagoas e os dados foram cedidos, gentilmente, pela Petrobrás S. A., a concentração de ozônio em função dos parâmetros meteorológicos foi estudada através de gráficos. Foi possível observar o comportamento inverso da umidade relativa do ar com a concentração de ozônio na atmosfera, e a dependência que a formação de ozônio tem com a radiação solar, sendo as maiores concentrações evidenciadas nos períodos de pico da radiação, aproximadamente 12:00 horas. As maiores concentrações de ozônio não acontecem nos meses do verão, como era esperado devido a radiação ser mais intensa, pois, sua formação e concentração depende da combinação de vários condicionantes meteorológicos.

PALAVRAS-CHAVE: Qualidade do Ar, Parâmetros Meteorológicos e Concentração de

Ozônio Troposférico.

INFLUENCE OF SOLAR RADIATION AND AIR HUMIDITY ON OZONE CONCENTRATION

ABSTRACT: Emissions of pollutants into the atmosphere originate generally in natural

and anthropogenic sources. The use of automobiles in cities grows every day, becoming the largest source of pollution from human activities. Among the pollutants found in urban atmosphere majority stands ozone, its formation is due to chemical reactions between primary pollutants such as carbon monoxide, nitrogen oxides, hydrocarbons and sunlight. The concentration of the pollutant may vary depending on the topography, meteorological

1 Aluna do Curso de Licenciatura em Física, E-mail: analangaro.fisica@gmail.com; 2Docente do Programa de Pós-graduação em Ensino de Ciências, E-mail: edmilson@uems.br

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Grupo de Pesquisa em Qualidade do ar. Universidade Estadual de Mato Grosso do Sul. Centro Integrado de Análise e Monitoramento Ambiental. Rodovia Dourados/Itahum km 12 CP 351. CEP 79804-970 - Dourados - MS

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conditions and sources. Therefore, this work fits with the aim of studying the relationship between the concentration of urban ozone and two of his meteorological conditions, solar radiation and relative humidity throughout the year 2005, in the town of Tres Lagoas. The ozone measurements are derived from the continuous monitoring station installed monitoring air quality in Tres Lagoas and data were provided kindly by Petrobras S. A., the ozone concentration as a function of meteorological parameters was studied through graphs. We observed the opposite pattern of relative humidity with the concentration of ozone in the atmosphere, and the dependence of ozone formation has with solar radiation, with the highest concentrations evident during periods of peak radiation approximately 12:00 hours. The highest concentrations of ozone do not happen in the summer months, as expected due to radiation be more intense, because their formation depends on the concentration and combination of various meteorological conditions.

KEYWORDS: Air Quality, Meteorological Parameters, Tropospheric Concentration

Ozone.

INTRODUÇÃO

A atmosfera é composta por gases, vapor d’água e partículas, que constituem o ar que envolve a região superficial da Terra. Ela não tem uma altura fixa, mas com a altitude o ar torna-se rarefeito, dificultando a existência de diferentes formas de vida (VAREJÃO SILVA, 2006)

Na atmosfera, permanentemente ocorrem reações químicas entre sólidos, líquidos e gases. Essas reações envolvem poluentes primários, diretamente ligados à fonte, e secundários, que são formados na atmosfera a partir dos poluentes primários.

As emissões de poluentes para a atmosfera, em geral, podem ser classificadas em naturais e antropogênicas. As emissões naturais estão associadas a fontes como o solo, a vegetação, oceanos e vulcões; enquanto as emissões antropogênicas são oriundas das atividades humanas, como exemplos, a incineração de lixo, diversos processos industriais, criação em larga escala de animais, etc.

A partir da década de 1970, o país sofreu mudanças significativas na distribuição populacional, com o deslocamento de grandes massas da área rural para a zona urbana. A área urbana, atualmente, em sua organização, prioriza o uso de veículos automotores, sendo estes, a maior fonte poluidora entre as atividades humanas.

Entre os poluentes majoritários encontrados em atmosfera urbana destaca-se o ozônio, de formação secundária. Segundo Varejão Silva (2006) o ozônio pode ser encontrado desde a superfície até 100 km de altitude. Entre 10 e 70 km, aproximadamente, está situada a

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chamada ozonosfera, indispensável à manutenção da vida na Terra. O ozônio varia com a latitude e depende de três fatores: hora do dia, maior ou menor atividade solar e efeitos da variação sazonal.

O ozônio encontrado em áreas urbanas se deve a reações químicas entre poluentes primários como monóxido de carbono, óxidos de nitrogênio, hidrocarbonetos e radiação solar.

Ayoade (2002) explica que o ozônio é formado, quando sob influência da radiação ultravioleta (de comprimento de onda de aproximadamente 280 nm), as moléculas de oxigênio se rompem, gerando o oxigênio monoatômico, que por sua vez, recombinam-se individualmente com outras moléculas de oxigênio.

A radiação solar é um importante catalisador para as reações que originam a formação do ozônio, bem como a temperatura e umidade do ar que interferem na sua produção e concentração. A incidência de radiação solar diminui vagarosamente, entre o outono e o inverno, dificultando a dissociação das moléculas precursoras da formação do ozônio na baixa camada atmosférica (FISHMAN apud REIS, 2002)

Segundo Silveira et al (2009), em condições de altas temperaturas, a radiação solar é maior, o que implica na redução da umidade relativa do ar. A concentração de ozônio está associada a estes fatores.

Em um estudo sobre a relação entre o ozônio e parâmetros meteorológicos na atmosfera de São Paulo, Galichio & Fornaro (2007), observaram que as máximas concentrações de ozônio ocorreram na primavera e as mínimas no inverno.

Estes autores compararam o número de ultrapassagens da concentração estabelecida pelos padrões de qualidade do ar (PQAR), que sofreu redução no período entre 2002 e 2006, com as mudanças ocorridas nos combustíveis da frota veicular, em que o total de álcool utilizado aumentou em mais de 21% no total, isso indica que a condição de disponibilidade dos precursores do ozônio, emitidos na queima de combustíveis, interfere menos na sua concentração e transporte, do que as variáveis meteorológicas.

Em relatório sobre a qualidade do ar da Região Metropolitana de São Paulo (RMSP), elaborado pela CETESB, para o período de 2001 e 2006, foi concluído que as ultrapassagens dos padrões da qualidade do ar, no que diz respeito à concentração de

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ozônio, diminuíram ano após ano, mas este fato não foi atribuído a diminuição na concentração de seus precursores e sim as condições meteorológicas.

Este trabalho objetiva estudar a relação entre a concentração de ozônio urbano e dois de seus condicionantes meteorológicos, radiação solar e umidade relativa do ar, ao longo do ano de 2005, na cidade de Três Lagoas, no Leste de Mato Grosso do Sul.

MATERIAIS E MÉTODOS

As medidas de ozônio são oriundas do monitoramento contínuo por estação de qualidade do ar instalada em Três Lagoas, Região Leste do estado de Mato Grosso do Sul, de propriedade da Companhia Petróleo Brasileiro S. A.. O equipamento utilizado no monitoramento da concentração de ozônio é da marca Horiba, e modelo APOA 630, que está localizado à coordenada UTM: 427.944 mE; 7.702.272 mS, e altitude de 325 metros. Os dados foram cedidos, na forma bruta, gentilmente, pela Petrobrás S. A..

A análise de coerência foi aplicada a todo banco de dados (continuidade > 75%), sendo selecionados os dados apresentados neste trabalho.

A metodologia empregada considera o ponto de monitoramento como válido, para extrapolação, para a região urbana, tendo em vista a ausência de qualquer medida de monitoramento da região.

Os dados após análise de coerência foram organizados em bancos de dados menores, segundo os meses do ano, com auxílio da planilha eletrônica Excel. Neste trabalho optou-se por analisar o comportamento dos parâmetros estudados através de gráficos.

O comportamento do ozônio foi avaliado em função dos seguintes parâmetros meteorológicos: radiação solar, umidade relativa do ar e temperatura.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Na Figura 1, a curva azul representa o comportamento médio mensal da umidade relativa do ar, em função das horas do dia; a linha vermelha descreve a média de concentração de ozônio, hora a hora, no mesmo mês.

Observa-se que durante a noite a umidade relativa do ar fica estável por volta de 85%, nas primeiras horas da manhã ela começa a decrescer, até um mínimo de 65% às 11:00

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horas, elevando-se novamente, gradativamente, até as 20:00 horas, quando estabilizam-se até o amanhecer.

A concentração média de ozônio, curva vermelha figura 01, no período noturno é de aproximadamente 13 ppbv. É possível observar que às 04:00 horas da manhã a concentração de ozônio apresenta leve elevação, que se intensifica nas primeiras horas do dia, devido à ação do fluxo actínio oriundo do sol. As concentrações máximas são verificadas entre 11:00 e 14:00 horas, devido ao ângulo em zênite do sol, e também à inércia térmica na troca superfície-ar, até as 15 horas, em média. Posteriormente, devido à redução do ângulo de altura solar, são reduzidos os efeitos, e, em decorrência reduzindo a concentração média de ozônio até valores mínimos até as 18:00 horas, quando o fluxo actínio cessa.

O comportamento verificado entre a umidade e a concentração de ozônio no inicio da manhã, nem sempre podem ser correlacionados diretamente, entretanto, a relação entre ambos, o primeiro sofrendo redução ao passo que a concentração do segundo aumentando, pode ser explicado devido a presença da radiação solar, que se eleva, a partir do amanhecer até alcançar um pico às 12:00 horas (ver Figura 2). O aumento da radiação solar implica em dois fatos como consequência: primeiro, no aumento da temperatura do ar ambiente, que é consequência da relaxação, em comprimentos de onda maiores que os absorvidos das ondas eletromagnéticas do sol, que, por conseguinte é responsável pela intensidade da evaporação de água próxima a região do solo, além de facilitar o processo fotoquímico de quebra de moléculas de dióxido de nitrogênio na atmosfera urbana.

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Figura 1. Representação da Média da Umidade Relativa do Ar e da Concentração de Ozônio no mês de Janeiro

Na Figura 2, pode-se observar a média, para o mês de janeiro de 2005, do comportamento horário da radiação no decorrer do dia.

O pico máximo de radiação, de aproximadamente 2.750 W/m2, neste mês, acontece às 13:00 horas, a curva apresenta um leve pico às 20:00 horas, o que certamente é resultado de leitura errada do equipamento.

Figura 2. Representação da média da Radiação solar diária para o mês de janeiro.

A Figura 3, apresenta os dados diários de umidade relativa do ar e concentração de ozônio, em função das horas do dia. São dados referentes a dois dias, 05/01/2005 e 14/01/2005.

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Figura 3. Representação da Concentração de Ozônio e da Umidade Relativa do Ar, em um dia seco e um dia chuvoso do mês de janeiro.

No relatório de chuvas referente ao ano de 2005, fornecido pela CESP (Companhia Energética de São Paulo), observou-se que o mês de janeiro foi o mais chuvoso do ano de 2005. No dia 05/01/2005 choveu 41,9mm, enquanto no dia 14/01/2005 não houve registro de chuva.

A curva que representa a umidade relativa do ar do dia 14/01/2005, deixa claro que a umidade chegou a índices próximos a 45%, enquanto no dia 05/01 a umidade não foi menor do que 69%. A concentração de ozônio também varia de um dia seco para um dia chuvoso, no dia 05/01 a concentração máxima foi de 25ppbv, enquanto no dia 25/01, a concentração chegou a 35ppbv, valor quase 50% maior que a média do mês de janeiro.

Diferente do mês de janeiro, o mês de agosto foi um dos menos chuvosos do ano de 2005, 10,9 mm durante o mês inteiro, veja na Figura 4 o comportamento da umidade relativa do ar e da concentração de ozônio neste mês.

Figura 4. Representação da Média da Umidade Relativa do Ar e da Concentração de Ozônio no mês de Agosto.

No mês de agosto, a concentração de ozônio chegou à 77 ppbv, e a média máxima do mês inteiro foi de aproximadamente 60 ppbv, enquanto a mínima concentração deste mês fica próxima às máximas concentrações do mês de janeiro, o mais chuvoso. A umidade relativa chegou ao índice de 17,3% no mês de agosto, valor inadequado para o bom

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convívio e desenvolvimento das atividades humanas, favorecendo problemas de saúde devido à queda na qualidade do ar.

Observou-se, também, que à baixa umidade do ar a concentração de ozônio é maior. Quando há muita umidade no ar, a radiação UV-B que chega à troposfera é absorvida rapidamente pelas moléculas de água, que tornam-se “concorrentes” dos óxidos de nitrogênio, compostos primários precursores do ozônio, na absorção da radiação.

A chuva é um fator muito importante quando se observa as diferenças de concentração de ozônio entre os meses de janeiro e agosto, pois ao chover o NOx que estava na atmosfera é removida, tal como o ozônio, deposição úmida. Portanto, no mês de janeiro, além de menos ozônio ser formado pela maior umidade do ar, a atmosfera era constantemente lavada pela chuva. Na RMSP a concentração de ozônio tem seus menores índices durante os meses de maio, junho e julho, uma das regiões que mais sofre com a ação do ozônio no país.

Na RMSP, a concentração de ozônio ultrapassa os PQAR, de forma mais intensa nos meses do verão e da primavera, na região de Três Lagoas as maiores concentrações de ozônio acontecem no final do inverno e início da primavera.

CONCLUSÃO

Os estudos realizados pelo Grupo de Pesquisa em Qualidade do Ar, da UEMS de Dourados, na região de Três Lagoas, que sofre intenso desenvolvimento industrial, são umas das poucas, referências ao estudo sobre a concentração de ozônio na região.

O ozônio, um poluente secundário, oriundo de reações fotoquímicas pode tornar o nível de oxidação da atmosfera indesejável a ponto de comprometer a qualidade do ar, e até, oferecer algum risco à vida humana. Vários parâmetros meteorológicos podem influenciar o comportamento da concentração desse gás, entre eles a radiação solar e a umidade relativa do ar.

A radiação solar é um dos fatores determinantes para a formação de ozônio, pois o chamado fluxo actínio, região do ultravioleta, possui grande intensidade energética, e no caso de Três Lagoas, praticamente durante todo o ano a disponibilidade de radiação é intensa.

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A umidade relativa do ar é, sem dúvida, de fundamental importância para a dinâmica de atenuação na formação de ozônio. Elevadas percentagens de umidade relativa do ar podem dificultar a intensificação na formação do ozônio, pois as gotículas d’água absorvem a radiação UV-B que seriam responsáveis por formar o oxigênio monoatômico, através dos óxidos de nitrogênio (sem desconsiderar a participação dos hidrocarbonetos para a atmosfera urbana) que ao recombinar-se com o oxigênio molecular O2, formaria o ozônio.

Em Três Lagoas, no mês de janeiro, a concentração de ozônio é baixa, um motivo evidente é o alto nível de precipitação.

No ano de 2005 a cidade de Três Lagoas não possuía fontes industriais com emissões significativas, sendo os veículos automotores a mais relevante fonte emissora de poluentes primários, que podem contribuir com a formação de ozônio na baixa troposfera. Esta cidade está em rápido desenvolvimento industrial, e à mesma proporção a frota veicular vem aumentando, o presente estudo torna-se, portanto, um importante ponto de apoio para os estudiosos do assunto para aquela região do estado de Mato Grosso do Sul.

AGRADECIMENTOS

Agradecemos à FUNDECT pelo apoio financeiro e à PETROBRÁS S.A. pela cooperação científica.

REFERÊNCIAS

AYOADE, J. O. Introdução à climatologia para os trópicos. Tradução de Maria Juraci Zani dos Santos. 8ª Edição. Rio de Janeiro, RJ. Bertrand Brasil, 2002.

CETESB. Relatório de Qualidade do Ar do Estado de São Paulo. 2006

ELMINIR, H.K. Dependence of Urban Air Pollutants on Meteorology. Science of Total Environmetal. 2005.

LISBOA, H. M. Controle da Poluição Atmosférica. Primeira Edição. Montreal, Dezembro, 2007.

VAREJÃO - SILVA, M. A.. Meteorologia e Climatologia. 2ª Versão Digital, Recife, PE, Brasil, 2006.

SOUZA, E de. Inventário de Emissões Atmosféricas e Avaliação de Condicionantes

Meteorológicas: Estudo de Caso de Três Lagoas. São Carlos, 2009.

VIANELLO, R. L.; ALVES, A. R. Meteorologia básica e aplicações. 1ª Edição. Viçosa: UFV, 2000).