Composiçao e origem do aerossol atmosférico em zona urbano-industrial

Abstract

Esta tese de doutoramento teve como objectivo caracterizar o aerossol atmosférico da zona industrial e urbana localizada a Norte da cidade de Lisboa e que se estende ao longo da margem direita do Rio Tejo, desde o Concelho de Loures até ao Concelho de Vila Franca de Xira. Pretendeu-se aqui determinar as fontes e processos que afectam os níveis e composição das partículas atmosféricas neste local. A amostragem de material particulado foi efectuada bissemanalmente durante o ano de 2001, com um colector de baixo caudal e outro de elevado caudal. Foram recolhidas apenas as partículas com diâmetro aerodinâmico inferior a 10 mm, tendo sido separadas numa fracção fina - com diâmetro aerodinâmico inferior a 2,5 mm (PM2,5)- e numa fracção grosseira - com diâmetro aerodinâmico superior a 2,5 mm (PM10-2,5). A caracterização elementar do aerossol foi efectuada através de Análise por Activação com Neutrões (INAA) e da Emissão por Indução com Raios-X. Os iões solúveis em água foram medidos por Espectrofotometria de Absorção Atómica, Cromatografia Iónica, Espectrofotometria de Ultravioleta e Potenciometria. O aerossol carbonoso foi determinado através de um método termo-óptico. Durante quatro períodos de amostragem, foi utilizado um Impactor Berner, de forma a estudar-se a distribuição granulométrica de alguns constituintes das partículas atmosféricas analisados por INAA. A massa média anual de PM2,5 para o ano 2001 foi 24 mg/m3. A Análise de Componentes Principais e posterior Regressão Multilinear indicaram que a massa de PM2,5 resultou principalmente da contribuição das partículas secundárias industriais (25%) e dos veículos automóveis (22%). O estudo da distribuição granulométrica de alguns dos constituintes dos aerossóis mostrou também que as partículas resultantes de fontes antropogénicas estão associadas essencialmente à fracção submicrométrica. A concentração de PM2,5 apresentou valores inferiores para amostras associadas a massas de ar e ventos marinhos, que promovem a dispersão de poluentes e transportam massas de ar mais limpas provenientes do oceano. Este cenário é frequente dada a presença semi-permanente do anticiclone localizado nos Açores e de ventos dominantes de oeste. As massas de ar continentais estão associadas a concentrações mais elevadas de particulado fino de origem antropogénica, não só devido ao transporte de poluentes da Europa, como também às emissões locais, que se fazem sentir com maior intensidade nestes cenários. A massa média anual de PM10-2,5 obtida no ano de 2001 foi 16 mg/m3. Nesta fracção granulométrica, o mar e o solo foram as duas principais fontes emissoras, contribuindo, respectivamente, para 47% e 20% da massa total de particulado grosseiro. O estudo da distribuição granulométrica das partículas mostrou que os elementos que se encontram associados à fracção grosseira resultam essencialmente do mar, do solo e de processos de ressuspensão. As massas de ar provenientes do Norte de África originaram aumentos significativos da concentração de PM10-2,5, acompanhados de um aumento do aerossol mineral. Estes resultados têm implicações importantes na implementação da legislação Nacional e Europeia referente ao material particulado, que se limita a legislar a concentração total de PM10 e chumbo. No ano 2001, o limite diário proposto pela legislação foi ultrapassado e a média anual de PM10 (40 mg/m3) teve um valor igual ao limite legislado. Devido à posição geográfica desta região, a contribuição marinha para o aerossol atmosférico é bastante significativa. A contribuição desta fonte, bem como a contribuição do aerossol mineral transportado por massas de ar provenientes do Norte de África, é relevante para a fracção grosseira, enquanto que o aerossol com origem antropogénica, resultante de processos de combustão e circulação de veículos automóveis, se encontra associado à fracção submicrométrica. Este facto deveria ser ponderado na adopção de um novo parâmetro – PM1 - que permitisse identificar a contribuição de fontes antropogénicas, normalmente associadas a constituintes do aerossol mais tóxicos, desvalorizando a contribuição do mar e do solo.

The objective of this PhD thesis was to characterize the atmospheric aerosol in an industrial and urban area located in the North of Lisbon. This area is developed in the right side of the Tagus River, from Loures to Vila Franca de Xira. This study focus on the identification of sources and processes affecting levels and composition of air particulate matter. Air particulate matter sampling was made on a twice a week basis during the year 2001. A low volume and a high volume samplers were used to collect particles with aerodynamic diameter lower than 10 mm. Particles were separated in a fine fraction – with aerodynamic diameter lower than 2.5 mm (PM2.5) - and a coarse fraction – with aerodynamic diameter higher than 2.5 mm (PM10-2.5). The elemental characterization was made by Neutron Activation Analysis and Particle Induced X-ray Emission. Water soluble ions were measured by Atomic Absorption Spectroscopy, Ion Chromatography Indophenol-blue Spectrophotometry and Potenciometry. Black carbon and organic carbon contents were determined with a thermo-optical system. During four sampling periods a Berner Impactor was used in order to study the granulometric distribution of some air particulate matter components. In 2001, PM2.5 annual mean was 24 mg/m3. Principal Component Analysis followed by Multilinear Regression Analysis indicated that PM2.5 mass resulted mainly from secondary particles from industry (25%) and vehicles exhaust (22%) contributions. The granulometric distribution study showed that anthropogenic sources are associated with the submicrometric fraction. PM2.5 showed lower concentration for maritime air masses and maritime winds, which promote the pollutants dispersion and transport cleaner air masses from the ocean. This scenario is very frequent due to the presence of the semipermanent Azores high-pressure system and the dominant westerly wind regime. Continental air masses were associated with higher fine and anthropogenic particles concentrations, not only due to the long range pollutant transport from Europe, but also due to the local emissions, which were more visible in these scenarios. PM10-2.5 annual mean obtained in 2001 was 16 mg/m3. In this granulometric fraction, the sea and the soil were the two main emission sources contributing, respectively, for 47% and 20% of the total coarse particulate mass. The granulometric distribution showed that elements associated with coarse fraction result essentially from the sea, soil and ressuspention processes. Air masses coming from North of Africa originated an increase of total PM10-2.5 and mineral aerosol concentrations. These results have important implications on the implementation of the National and European air particulate matter legislation, where only the PM10 total mass concentration and Pb concentration are regulated. In 2001, the daily limit proposed by the legislation was exceeded and the annual PM10 mean (40 mg/m3) had the same value as the legislated limit. Due to the geographic position of the sampling site, the maritime contribution for the atmospheric aerosol is very significant. The contribution of this source, and the contribution of mineral aerosol transported in air masses provided from the North of Africa are important for the coarse fraction, while combustion processes and vehicle circulation is more associated with the submicrometric fraction. This fact should be taken in account in the adoption of a new parameter – PM1 – which would allow the identification of anthropogenic sources, usually associated with toxic aerosol components, undervaluing the sea and soil contribution.