AEROSSÓIS: COMPOSIÇÃO E PROPRIEDADES Simone Gomes (PAIC/F.A.-UNICENTRO), Sandra Mara Domiciano (Orientador), e-mail: domiciano@irati.unicentro.br Universidade Estadual do Centro-Oeste/SEAA Palavras-chave: aerossol atmosférico, composição química dos aerossóis, propriedades físicas dos aerossóis. Resumo: Os aerossóis por serem particulados dispersos na atmosfera apresentam alguns efeitos sobre a radiação solar, a qual é interceptada por eles e também no ciclo hidrológico, alterando a formação de nuvens. A influência dos aerossóis no balanço radioativo terrestre está relacionada principalmente com sua composição química e com as propriedades físicas. Introdução O aerossol atmosférico é constituído por partículas sólidas e líquidas em suspensão na atmosfera [1] e possui dimensão inferior a 100μm, mas superior aos das moléculas individualizadas. Ele influencia na quantidade de radiação solar que chega até a superfície terrestre de duas maneiras, diretamente e indiretamente. A forma direta se dá através da absorção e espalhamento da luz que pode levar tanto ao aquecimento quanto ao resfriamento da superfície, dependendo da composição e das propriedades desses aerossóis. E a forma indireta se dá pelo fato de que as partículas constituem os núcleos de condensação de nuvens, ajudando no crescimento das gotas de chuva. Mas as gotas crescerão pouco e devagar, e muitas vezes, as nuvens não precipitarão quando o ar estiver muito poluído, porque haverá uma disputa pelo vapor de água. Os aerossóis são divididos em primários e secundários, conforme sua origem e processos de formação. Os primários são diretamente emitidos da fonte na forma sólida ou líquida, cujas fontes são: processos de combustão, as erupções vulcânicas, os fogos florestais, as emanações derivadas de certas atividades industriais e viárias, o spray marinho (nome técnico da maresia) e alguns materiais biológicos. Já os secundários, se formam a partir de transformações físico-químicas na atmosfera (conversão gáspartícula) sendo, uma das fontes, a queima de combustíveis fósseis [2]. Os aerossóis também podem ser classificados em modas (categorias). Em 1998, Seinfeld e Pandis sugeriram a existência de duas modas: a moda fina e a moda grossa [1]. Na moda fina as partículas
possuem diâmetro de até 2,5μm e é subdividida em (1) Faixa de nucleação - partículas menores de 0,2μm; (2) Faixa de acumulação partículas entre 0,2 2,5μm. Por sua vez, na moda grossa as partículas possuem diâmetro desde 2,5μm até centenas de micrômetros. Durante a queima de combustíveis fósseis e de biomassa são liberadas partículas de aerossóis, principalmente da moda fina, cuja composição é de enxofre e carbono elementar, sendo o último denominado black carbon. O black carbon é originado por processos de combustão incompleta [3], onde não há moléculas de oxigênio suficientes para que a combustão seja completa, sendo, portanto, o principal causador do efeito direto, onde pode ocorrer a absorção da luz solar. Em geral, os aerossóis troposféricos são principalmente compostos por sulfatos, nitratos, amônio, material carbonáceo, sais marinhos (NaCl), metais do solo (Al, Si, Ti, Ca, Fe), metais pesados (Pb, Zn, Cu, V, Ni, Cd, Cr, e outros) e água. Os carbonáceos são constituídos pelo carbono orgânico e pelo black carbon [3]. Tanto a dimensão dessas partículas, quanto sua composição, dependem das fontes de emissão e de processos físico-químicos (conversão gás-partícula) que ocorrem na atmosfera. Composição química A composição química dos aerossóis influencia fortemente os processos nos quais eles participam. Os componentes básicos presentes nas partículas de aerossóis determinarão se absorverão ou espalharão a luz solar ou, ainda, se atuarão como núcleo de condensação de nuvens (NCN). Tais fenômenos acontecem porque cada elemento apresenta um potencial diferente. O aerossol pode ser considerado simples (homogêneo) se for constituído por um único elemento químico ou complexo (heterogêneo) se for constituído por mais de um elemento químico. Na moda fina são encontrados predominantemente o sulfato, o amônio, o carbono orgânico, o black carbon e certos metais de transição. A eficiência com a qual certa quantidade de black carbon absorve luz está relacionada com sua estrutura e depende da dimensão da partícula e do tipo de mistura entre o carbono e componentes não absorvedores, como o material orgânico e sulfatos. Já as partículas de aerossóis pertencentes a moda grossa, são geralmente emitidas pela ressuspensão do solo e têm composição básica de elementos encontrados nesse mesmo solo, como, silício, cálcio, magnésio, alumínio, ferro, e partículas orgânicas biogênicas (como pólen, esporos, fragmentos de plantas). Ainda nessa moda, são encontradas partículas de sal marinho, compostas principalmente por cloreto de sódio (NaCl), cloreto de potássio (KCl), sulfato de cálcio (CaSO 4 ) e (NH 4 ) 2 SO 4. O sal marinho são partículas higroscópicas, que tem afinidade por moléculas de água, por isso
atuam como núcleos de condensação de nuvens. As partículas de poeira, também encontradas na moda grossa e compostas principalmente por silício, alumínio e ferro, geralmente não são solúveis e, portanto, não atuam como núcleos de condensação de nuvens [1]. O nitrato pode ser encontrado em ambas as modas, fina e grossa [1]. Propriedades Físicas Do ponto de vista atmosférico as partículas de aerossóis que se destacam são aquelas que têm um tempo de residência na atmosfera longo o suficiente para interagir com a radiação e influenciar a formação de nuvens [3]. O processo de deposição seca ou úmida pode facilitar a remoção de algumas partículas de aerossóis, reduzindo seu tempo de residência, uma vez que a massa dessas partículas é influenciada pela ação da gravidade. Também se destacam aquelas partículas de aerossóis que são transportadas para regiões distantes do seu local de emissão, pois seus efeitos excedem a escala local e afetam a composição e propriedades físicas e químicas da atmosfera em áreas vizinhas, causando um impacto em escala global. De forma mais rigorosa, ainda se destacam as partículas cujas forças viscosas são significativas no seu movimento, isto é, aquelas cujo número de Reynolds (Re) é em torno de 1. O número de Reynolds expressa o escoamento de determinado fluido sobre uma superfície e é definido pela expressão Re=ρvd/η, onde v e d são, respectivamente, velocidade (com relação ao fluido) e diâmetro da partícula, e ρ e η são, respectivamente, densidade e coeficiente de viscosidade do fluido. Em condições atmosféricas padrão o diâmetro correspondente ao número de Reynolds igual a 1 é de partículas com 100 μm [3]. O tempo de residência do aerossol na atmosfera varia de alguns dias a semanas. Durante esse tempo, as partículas sofrem o que chamamos de envelhecimento, pois participam dos processos de condensação, coagulação e evaporação. Na condensação ocorre a transformação da matéria, do estado gasoso para o líquido, acarretando um aumento na dimensão das partículas. Já a coagulação pode ser entendida como colisões entre partículas durante seus movimentos aleatórios. E a evaporação, diminui a dimensão das partículas. Nesse processo ocorre a transição do estado líquido (ou sólido, se a substância sublima) para o estado de vapor. Os aerossóis apresentam propriedades óticas que interferem na direção da radiação solar quando esta atravessa a atmosfera. Dois processos envolvendo as propriedades óticas se destacam: o espalhamento e a absorção. O espalhamento ocorre quando a luz incidente encontra a partícula de aerossol, dispersando-a em todas as direções e depende do tamanho da partícula com relação ao comprimento de onda da radiação incidente, de sua composição química e do arranjo dos átomos que compõem as partículas. Existem dois mecanismos de espalhamento da luz,
o espalhamento de Mie e o espalhamento de Rayleigh. A diferença entre eles é que o primeiro ocorre quando as partículas têm diâmetros iguais ou maiores ao comprimento de onda da radiação. Enquanto que, o segundo acontece se as partículas forem bem menores que o comprimento de onda [4]. No processo de absorção, a radiação pode ser convertida em calor, ou seja, em movimento molecular interno favorecendo o aumento da temperatura. Conclusões Os aerossóis são formados, evoluem e eventualmente são removidos na circulação atmosférica. As partículas componentes do material particulado se originam tanto em emissões diretas por fontes poluidoras, como, também pelo processo físicoquímico ocorrido na própria atmosfera. A classificação ou a caracterização de um aerossol atmosférico abrange especificações sobre as composições químicas e as dimensões das partículas que o compõem, entre outras. Os efeitos dos aerossóis são totalmente dependentes da sua composição química e de suas propriedades físicas. E esta última depende da composição, que por sua vez, depende da fonte emissora. Processos físicos e químicos como nucleação, condensação e coagulação e os processos de transporte como a difusão e sedimentação influenciam na distribuição de massa, superfície e número das partículas. Além disso, processos físicos como o espalhamento e a absorção influenciam o balanço de radiação da Terra. Agradecimentos Agradecemos à Fundação Araucária pela bolsa de iniciação científica de Simone Gomes. Referências Seinfeld, J. H.; Pandis, S. N. Atmospheric Chemistry and Physics: From Air Pollution to Climate Change, J. Wiley. New York, 1998. Andrade, M. F.; ORSINI, C.; MAENHAUT, W. Receptor Modeling for Inhalable Atmospheric Particles in São Paulo, Brazil. Nuclear Instrum. And Methods in Phys. Research B75, 1993, pp. 308-311. Oliveira, M.G.L. Evolução das distribuições de tamanho em massa e número do aerossol atmosférico em São Paulo. Tese de Mestrado, Universidade de São Paulo, 2007.
S. De Lucca.; O. C. Emmert. Medição da espessura óptica de aerossóis com fotômetros didáticos no estado de São Paulo. In Anais do XVI Simpósio Nacional de ensino de física, São Paulo.