Contribuição da circulação automóvel para o aerossol atmoférico na zona Norte de Lisboa

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1 Contribuição da circulação automóvel para o aerossol atmoférico na zona Norte de Lisboa S.M. Almeida 1, C.A. Pio 2, M.C. Freitas 3, M.A. Reis 4, M.A. Trancoso 5 1 Instituto Tecnológico e Nuclear, Apartado 21, E.N.10, Sacavém; smarta@itn.pt 2 Departamento de Ambiente e Ordenamento, Universidade de Aveiro, 3800 Aveiro; casimiro@ua.pt. 3 Instituto Tecnológico e Nuclear, Apartado 21, E.N.10, Sacavém; cfreitas@itn.pt 4 Instituto Tecnológico e Nuclear, Apartado 21, E.N.10, Sacavém; mareis@itn.pt 5 Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e Inovação, LAACQ,, Estrada do Paço do Lumiar nº 22, Lisboa; mtrancoso@ineti.pt 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 +, Mg 2+, K +, Ca 2+ ), Cromatografia Iónica (Cl - -, NO 3 e SO 2-4 ), Espectrofotometria de Ultravioleta (NH + 4 ) 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 NO - 3, 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.

2 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 -, Ca 2+ e K os compostos mais abundantes nas emissões de veículos com catalisador. Estes autores referem também o NH + 4 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.

3 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 +, Mg 2+, K +, Ca 2+ ), Cromatografia Iónica (Cl - -, NO 3 e SO 2-4 ), Espectrofotometria de Ultravioleta (NH + 4 ) 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 Valores em ng/m 3. PM - Concentração total de partículas; CO Carbono orgânico; CN Carbono negro. PM Al Si Sc Ti V Mn Fe Co Ni Cu Zn As Se Br Média ,013 8,5 6,7 2, ,087 2,6 5,4 18 0,31 0,51 3,0 Sb La Sm Hg Pb 2- SO 4 - NO 3 Cl - + NH 4 Na + K + Mg 2+ Ca 2+ CO CN Média 1,5 0,067 0,011 0,061 8, As características industriais/urbanas da zona em estudo fazem com que as espécies maioritárias do aerossol sejam o SO 2-4, NO - 3, NH + 4, 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 Ca 2+, é também visível nas características do aerossol amostrado. A presença destas espécies é particularmente marcada em

4 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 Ca 2+ ; 2) à emissão de poluentes pelos tubos de escape dos veículos automóveis, identificada pelo NO - 3, 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 2- Hg; 5) aos aerossóis derivados de processos de conversão gás-partícula correlacionados com o SO 4 e NH + 4 ; 6) ao aerossol marinho, correlacionado com os elementos Na +, Cl - e Mg 2+ 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. CP1 CP2 CP3 CP4 CP5 CP6 CP7 Comun. F. Fina Solo Veículos Fuel Se/Hg Secund. Mar Ind./Veíc. Al Si Sc Ti V Mn Fe Co Ni Cu Zn As Se Br Sb La Sm Hg Pb Cl NO SO K Na Ca Mg NH CO CN Var.Expl Var.Tot. Expl.(%)

5 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% Não identificado 6,6% Solo 16% Comb. fuel-óleo 8,0% Travões/Pneus 14% 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 NO 3 aparece essencialmente associado a emissões de tráfego automóvel, na medida em que apresenta como principal percursor o NO x, emitido pelos veículos motorizados. Esta elevada correlação do tráfego automóvel com o NO - 3 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 NO 3 - 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 NH 4 NO 3 (s) HNO 3 (g)+nh 3 (g), para a fase sólida nos meses mais frios e para a fase gasosa nos meses quentes. A ocorrência de HNO 3 gasoso é superior nas estações quentes devido ao aumento da actividade fotoquímica verificada nesta altura do ano. Adicionalmente, o facto do NH 4 NO 3 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 NH 4 NO 3 (s) HNO 3 (g)+nh 3 (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

6 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 NO 3 não apresenta qualquer correlação com a componente associada aos compostos resultantes de processos de conversão gás-partícula, na qual estão correlacionados o SO 2-4 e o NH + 4. 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 PM 2,5. Esta actividade está associada principalmente à emissão de NO 3 -, carbono orgânico e carbono negro.

7 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 PM 2,5. O solo apresenta uma contribuição média anual de 16% para a massa de PM 2,5. 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. Referências Almeida S.M. (2004) Composição e origem do aerossol atmosférico em zona urbano-industrial. Dissertação de Doutoramento. Departamento de Ambiente e Ordenamento. Universidade de Aveiro. Castro L.M. (1997), Composição e Origem dos Poluentes Particulados numa Atmosfera Costeira. Dissertação de Doutoramento. Departamento de Ambiente e Ordenamento. Universidade de Aveiro. Freitas M.C., Reis M.A., Pacheco M.G. (2003) Recent trends in atmospheric lead levels at an urban-industrial district of metropolitan Lisbon, Portugal, through PIXE analysis of air-particulate matter, Proceedings of the 17 th International Conference on Application of Accelerators in Research and Industry, editors Duggan J.L. e Morgan I.L., American Institute of Physics Publ., College Park MD, USA, Vol.680. Harrison R.M., Deacon A.R., Jones M.R., Appleby R. (1997) Sources and processes affecting concentrations of PM 10 and PM 2,5 particulate matter in Birmingham (UK), Atmospheric Environment 31(24), Huang X., Olmez I., Aras N. K. (1994) Emissions of trace elements from motor vehicles: potential marker elements and source composition profile. Atmospheric Environment 28(8), Pio C.A., Castro L.M., Cerqueira M.A., Santos I.M., Belchior F., Salgueiro M.L. (1996) Source assessment of particulate air pollutants measured at the southwest european coast, Atmospheric Environment 30 (19), Público (2004) Bruxelas processa Portugal por poluição em Lisboa e Porto, Público, 9 Julho 2004, 32. Putaud J-P., Raes F., Van Dingenen R., Brüggemann E., Facchini M-C., Decesari S., Fuzzi S., Gehrig R., Hüglin C., Laj P., Lorbeer G., Maenhaut W., Mihalopoulos N., Müller K., Querol X., Rodriguez S., Schneider J., Spindler G., ten Brink H., Tørseth K., Wiedensohler A., A European aerosol phenomenology-2:chemical characteristics of particulate matter at kerbside, urban, rural and background sites in Europe. Atmospheric Environment 38,

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