ISABELA GOMES PERRY APORTE DE POLUENTES ATMOSFÉRICOS NA APA DE PETRÓPOLIS: USO DE MODELAGEM ATMOSFÉRICA PARA EXPLICAR RESULTADOS EXPERIMENTAIS Dissertação apresentada ao Curso de Pós-Graduação em Geociências da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para obtenção do Grau de Mestre. Área de Concentração: Geoquímica Orientador: William Zamboni de Mello NITERÓI 2007 P 4621 Perry, Isabela Gomes. Aporte de poluentes atmosféricos na APA de Petrópolis: uso de modelagem atmosférica para explicar resultados experimentais./Isabela Gomes Perry.- Niterói: [s.n.], 2007. 101 f. il.; 30 cm. Dissertação (mestrado em Geociências – Geoquímica ambiental) – Universidade Federal Fluminense, 2007. Orientador: Prof. Dr. William Zamboni de Mello. 1. Meteorologia. 2. Poluente atmosférico. 3. Deposição atmosférica. 4. Produção intelectual. I. Título. CDD 551.5 AGRADECIMENTOS Ao Dr. William Zamboni de Mello que me orientou durante toda a realização deste trabalho; A Dra. Claudia Alves do Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC) pela responsabilidade e competência na Modelagem de Dispersão de Poluentes; A Dra. Cacilda pela atenção a parte estatística deste trabalho; A Dra. Silvia Sella do Departamento de Química Analítica pela abertura do seu Laboratório de Química Analítica para realização das analises de cátions no equipamento de Espectrometria de Emissão e Absorção Atômica; Ao Ph.D. Clemente Tanajura por nos receber no LNCC possibilitando a instalação do equipamento de amostragem da UFF, e por abrir as portas do CATO para a realização da Modelagem de Dispersão; A colega de Laboratório, Andréa Rocha, por estar sempre pronta a ajudar. E a Giselle Parno Guimarães pelas músicas que animam o trabalho no Laboratório; Aos professores da Geoquímica pelas aulas do primeiro ano de Mestrado; Aos motoristas, Chicão e Alexandre, por todas às idas a Petrópolis; A Eliane por me ajudar em momentos cruciais e a todos os funcionários do CATO/LNCC por me receberem nas quintas-feiras; Ao Romanazzi pela manutenção do equipamento de coleta; Ao meu grande pai, Luiz Alberto Perry, pela grandeza do seu amor, incentivo e confiança; A minha adorável mãe, Wânia Sixel Sallin, pelos abraços, pelas palavras sinceras, e por todo o seu amor e carinho; Ao meu irmão querido, Leonardo Gomes Perry, somente, por existir; Ao Rodrigo Sobrinho, meu namorado, a quem dedico esse agradecimento pela harmonia e felicidade na minha vida. Pelas idéias malucas e pelas risadas de todos os dias. E, por termos, um lar. “O ambientalista que gosta de acreditar que a vida é frágil e delicada e que está em perigo diante da brutalidade do homem, não gosta do que vê quando olha o mundo através de Gaia. A donzela desamparada que ele esperava resgatar, surge como uma mãe canibal saudável e robusta. O mesmo ambiente utilizará a Segunda Lei da Termodinâmica como um espelho, e verá nela uma justificativa para a apócrifa Lei de Murphy: “Se alguma coisa puder dar errado, dará errado”. Ele divisa o nosso universo como o cenário para uma tragédia, onde nos somos os participantes de um jogo mortal em que não podemos empatar e muito menos vencer”. James Lovelock RESUMO A APA-Petrópolis, localizada a 863m de altitude na Serra do Mar – RJ apresenta mais de 50% de sua área coberta por Mata Atlântica, que é considerada um “hot spot” em termos de biodiversidade mundial. Elevados fluxos de SO 2-, NO - 4 3 e NH + estão sendo depositados na região e a origem principal desses poluentes é a 4 Região Metropolitana do Rio de Janeiro (RMRJ) principalmente, situada a poucos quilômetros do extremo sudoeste da APA-PE. As principais espécies responsáveis pela acidez na água da chuva na APA-Petrópolis são H+, NH +, SO 2- e NO -. O fluxo 4 4 3 de deposição úmida de NH + é mais alto que o fluxo de NO -, sendo o fluxo total 4 3 (deposição seca e úmida) estimado em 14 kgN ha-1 ano-1. O excesso de N em ecossistemas tropicais acarreta uma série de danos à flora podendo levar à extinção de determinadas espécies. A fração marinha predominou para Na+, Mg2+ e Cl- e a não marinha para Ca2+, K+ e SO 2-, sendo a contribuição desta fração maior durante 4 o período úmido. É provável que as altas temperaturas estejam causando o aumento da transpiração da floresta neste período acarretando no aumento do transporte de íons de origem biológica pela ação dos ventos. PALAVRAS-CHAVES: poluentes atmosféricos; transporte; dispersão; deposição atmosférica. ABSTRACT The APA-Petrópolis, above 863m height in the Sea Mountain - RJ more than 50% of its area covered for Atlantic Forest, which is considered a “hot spot” of the world-wide biodiversity. High depoitions fluxes of exc-SO 2-, NO - and NH + have 4 3 4 been found in this region and the major source of these pollutants seems to be the Metropolitan Region of Rio de Janeiro (RMRJ), situated near the southern boundary of the APA-Petrópolis. Those are the major chemical species controlling rainwater pH at APA-Petrópolis. The wet deposition flux of NH + was higher than that of NO -. 4 3 Total deposition (wet + dry) of inorganic N was estimated to be around 14,4 kgN ha-1 year-1. The excess of N in tropical ecosystems can possibly cause damages to the flora and could lead to the extinction of species. The sea-salt fraction predominated for Na+, Mg2+ and Cl- and the non-sea-salt fraction for Ca2+, K+ and SO 2-. The non- 4 sea-salt contribution predominates during the wet period. KEYWORDS: Atmospheric pollutants; transport; dispersion; atmospheric deposition. LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Bacia Aérea III, principal área fonte de poluentes inserida na RMRJ, e ao norte a APA-Petrópolis com o local de amostragem em DESTAQUE........................................................ 18 Figura 2 - Deslocamento da pluma de monóxido de Carbono (CO) referente à queima de biomassa vegetal (escala de cores indica a concentração de CO) com a intensificação dos ventos do sul (http://www.cptec.inpe.br/meio_ambiente/index.shtml) ................ 20 Figura 3 - Ciclo do enxofre destacando em preto os compostos abordados no texto ....................................................................... 23 Figura 4 - Ciclo do nitrogênio destacando em preto os compostos abordados no texto ....................................................................... 24 Figura 5 - Variação da temperatura com a elevação da altitude dentro da troposfera: (a) desvio normal; (b) mudança do desvio de positivo (+) para negativo (-), característica da inversão térmica............................................................................ 28 Figura 6- Banda de nebulosidade do fenômeno ZCAS estendendo- se da região amazônica ao centro do Atlântico Sul (CLIMANALISE/CPTEC/INPE) ..................................................... 30 Figura 7 - Domínio das três grades simuladas pelo RAMS. O x representa o centro das três grades............................................. 41 Figura 8 - Localização das fontes (REDUC e Av Brasil) e do local de amostragem (coordenadas da estação meteorológica LNCC/SIMERJ) ............................................................................ 44 Figura 9 - Volume de chuva na APA-Petrópolis comparado à média histórica (1931-1975)... ................................................................ 46 Figura 10 - Correlação entre cátions e ânions inorgânicos na água da chuva ............................................................................................ 48 Figura 11 - Correlação entre a condutividade medida e a condutividade calculada na água de chuva................................... 48 Figura 12 - Dispersão entre condutividade medida (µS cm -1) e a altura chuva (mm) durante o período seco (n = 18)...................... 49 Figura 13 - Dispersão entre condutividade medida (µS cm -1) e a altura de chuva (mm) durante o período úmido (n = 24)............... 49 Figura 14 - Box-Whiskers para as variáveis analisadas (µEq L-1) na água da chuva durante o período seco......................................... 53 Figura 15 - Box-Whiskers para as variáveis analisadas (µEq L-1) na água da chuva durante o período úmido....................................... 53 Figura 16 - Relação entre as medidas de tendência central (média, MPV e mediana) no período seco................................................. 54 Figura 17 - Relação entre as medidas de tendência central (média, MPV e mediana) no período úmido............................................... 54 Figura 18 - Histograma da variável pH na água da chuva durante o período seco................................................................................. 55 Figura 19 - Histograma da variável pH na água da chuva durante o período úmido............................................................................... 55 Figura 20 - Correlação entre cátions e ânions nas partículas inorgânicas solúveis sedimentadas............................................... 57 Figura 21 - Correlação entre a condutividade medida e a condutividade calculada na deposição seca................................. 57 Figura 22 - Histograma do pH na deposição seca durante o período seco .............................................................................................. 58 Figura 23 - Histograma do pH na deposição seca durante o período úmido............................................................................................ 58 Figura 24 - Box-Whiskers da fração inorgânica solúvel (µEq L-1) das particulas sedimentadas durante o período seco.......................... 59 Figura 25 - Box-Whiskers da fração inorgânica solúvel (µEq L-1) das particulas sedimentadas durante o período úmido........................ 59 Figura 26 - Variação dos íons majoritários (µEq L-1) e do volume de chuva (mm) nas amostras semanais durante o período seco indicando os extremos e outliers.......................................... 61 Figura 27 - Variação dos íons majoritários (µEq L-1) e do volume de chuva (mm) nas amostras semanais durante o período úmido indicando os extremos e outliers........................................ 62 Figura 28 - Porcentagem de contribuição dos extremos e outliers com o fluxo de deposição úmida e seca na APA-PE.................... 65 Figura 29 - Concentração dos íons majoritários na água de chuva na APA-PE......................................................................................... 66 Figura 30 - Fluxo de deposição dos íons majoritários na APA-PE via deposição úmida........................................................................... 67 Figura 31 - Média das concentrações das espécies de origem marinha e não marinha durante o período seco............................ 69 Figura 32 - Média das concentrações das espécies de origem marinha e não marinha durante o período úmido......................... 69 Figura 33 - Fluxo de poluentes (kg ha-1 ano-1) via deposição úmida na APA-PE, PARNASO (Rodrigues e De Mello, 2006), PNI (De Mello e De Almeida, 2004) e RMRJ (De Mello, 2003)............................................................................................. 70 Figura 34 - Relação entre pH e NH4+ da APA-PE (863m), Parque Nacional da Serra dos Órgãos (PARNASO) (1000m) e Parque Nacional de Itatiaia (PNI) (820m) ..................................... 71 Figura 35 - Concentração de fração inorgânica solúvel (µEq L-1) nas amostras semanais durante o período seco indicando outliers e extremos........................................................................ 73 Figura 36 - Concentração de fração inorgânica solúvel (µEq L-1) nas amostras semanais durante o período úmido indicando outliers e extremos........................................................................ 74 Figura 37 - Fluxo de deposição das espécies inorgânicas solúveis via deposição seca nos períodos seco e úmido................................. 75 Figura 38 - Retro-trajetória de massas de ar a partir do ponto de amostragem (marcado como estrela) com inicio às 11TMG de 26 de agosto de 2006.................................................. 81 Figura 39 - Evolução da pluma de NOx a cada 6 TMG em uma simulação de frente fria de 48h, sendo: (a) 06: 30; (b) 12:30; (c) 18:30; (d) 24: 30; (e) 30:30; (f) 36:30; (g) 42: 30; (h); (i) 48: 30............................................................................ 84 Figura 40 - Evolução da pluma de SO a cada 6 TMG em uma 2 simulação de frente fria de 48h, sendo: (i) 06: 30; (j) 12:30; (k) 18:30; (l) 24: 30; (m) 30:30; (n) 36:30; (o) 42: 30; (p) 48: 30................................................................................. 86 Figura 41 - (a) Precipitação de chuva acumulada em 48 horas (mm h- 1); (b) erro da precipitação de chuva simulada pelo RAMS nas três grades (g1, g2, g3) em relação ao observado na estação meteorológica (LNCC/FIDERJ); (c) deposição de NOx por deposição úmida nas 48h de simulação da frente fria; (d) deposição de SO2 por deposição úmida nas 48h de simulação da FF......................................................... 88 Figura 42 - Evolução da pluma de NOx a cada 6 TMG em uma simulação de brisa de 24h, sendo: (a) 06: 30; (b) 12:30; (c) 18:30; (d) 24: 30....................................................................... 89 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Características das três grades simuladas pelo RAMS................... 42 Tabela 2 - Massas de SO2 e NOx (105 g dia-1) emitidas pela REDUC e pela Av. Brasil na RMRJ ...................................................... 43 Tabela 3 - Concentrações (µeq L-1) das espécies inorgânicas solúveis na água da chuva durante o período seco (n = 18) e úmido (n = 24)............................................................................................ 51 Tabela 4 - Concentrações (µeq L-1) das espécies inorgânicas solúveis na água da chuva não considerando os valores extremos e outliers durante o período seco e úmido ...................... 51 Tabela 5 - Matriz de correlação dos íons majoritários na água da chuva no período seco com extremos e outliers............................. 64 Tabela 6 - Matriz de correlação dos íons majoritários na água da chuva no período úmido com extremos e outliers........................... 64 Tabela 7 - Fluxo de deposição úmida e seca (Eq ha-1 ano-1) dos principais poluentes de origem antrópica........................................ 75 Tabela 8 - Análise de Componentes Principais (ACP) com rotação Varimax para o período seco da deposição úmida......................... 77 Tabela 9 - Análise de Componentes Principais (ACP) com rotação Varimax para o período úmido da deposição úmida....................... 79 Tabela A1 - Valores das concentrações dos íons majoritários analisados na água da chuva da APA-Petrópolis no período de agosto de 2005 a agosto de 2006................................. 100 Tabela A2 - Valores das concentrações das partículas inorgânicas solúveis sedimentadas na APA-Petrópolis no período de agosto de 2005 a agosto de 2006................................................... 101