143
STRATOZON: O OZONO ESTRATOSFÉRICO NA BAIXA TROPOSFERA SOBRE PORTUGAL Nelson Barros - Faculdade de Ciência e Tecnologia, UFP CentrodeModelaçãoeAnálisedeSistemasAmbientais(CEMAS) ProfessorAssociado|E-mail:[email protected]
Carlos Borrego - DAO, Universidade de Aveiro ProfessorCatedrático|E-mail:[email protected]
Tânia Fontes - Faculdade de Ciência e Tecnologia, UFP CentrodeModelaçãoeAnálisedeSistemasAmbientais(CEMAS) BolseiradeInvestigação|E-mail:[email protected]
Ana Cristina Carvalho - DAO, Universidade de Aveiro BolseiradeDoutoramento|E-mail:[email protected]
AbstrAct
SupportedbyScienceandTechnologyFoundation,theSTRATOZONprojectisa2yearsnationalprojectandisbeingdevelopedbyFernandoPessoaandAveiroUniversities, in collaborationwith theMeteorological Institute andtheEnvironmentalInstitute.ThemainscopeofSTRATOZONprojectistojustifynon-photochemical ozone episodes, and such, episodes that cannot becontrolledbylocal/regionalmanagementofitsprecursorsemissions.Attheend,itwillbeproducedadocumentwithguidelinestotheEnvironmentalInstitute about this subject.
resumo
FinanciadopelaFundaçãoparaaCiênciaeaTecnologia,oprojectoSTRA-TOZON: O ozono estratosférico na baixa troposfera sobre Portugal, é um projectonacional,quetêmduraçãode2anos(2002-2004),eestáaserdesen-volvido pela Universidade Fernando Pessoa e pela Universidade de Aveiro, emcolaboraçãocomoInstitutodeMeteorologiaeoInstitutodoAmbiente. OprojectoSTRATOZONtemcomoobjectivogenéricojustificarosepisó-diosdeozonodeorigemnãofotoquímicae,comotal,nãopassíveisdequal-quercontrololocal/regionaldeemissõesdosseusprecursores.NofinalseráfeitoumdocumentocontendodirectrizesparaoInstitutodoAmbientesobreesta matéria.
1. Introdução
Oprojectodeinvestigaçãoqueaquiseapresenta,desenvolve-sedesde2002entre a Universidade de Aveiro e a Universidade Fernando Pessoa em cola-boraçãocomoInstitutodeMeteorologia.Oprojectoprevêcomoutilizadorfinal dos resultados, o Instituto doAmbiente.Trata-se de umprojectofi-nanciadopelaFundaçãoparaaCiênciaeTecnologiacomaduraçãodedoisanos.
2. enquAdrAmento e objectIvos do projecto
Oozonoéumaformaextremamentereactivadooxigénioeéumdosgasesconstituintesdaatmosfera.Cercade90%destegássitua-senaestratosferaearestantefracçãodistribui-seentreatroposferalivreeacamadalimite.Naestratosfera,oozonoabsorvearadiaçãoultravioletamaisenergética,actu-andocomoumgásdeestufaeprotegendoosseresvivosdosseusefeitos.
144 Emboraoozonotenhaumpapelimportantenaestratosfera,àsuperfíciepodetornar-se pernicioso, quer para o Homem, quer para os ecossistemas devido aoseugrandepoderoxidante.Aexposiçãodecurtaduração(1-3horas)aníveiselevadosdeozonopodecausarproblemas respiratóriosagudoseaexposição repetida conduz aumaumentoda susceptibilidade a infecçõesrespiratórias e a inflamações pulmonares. Este efeito pode também sernotadoemexposiçõesprolongadas(6-8horas)aníveismoderadosdeozono.Aexposiçãodelongotermoaestepoluentepodecontribuirparaalteraçõesirreversíveis da capacidade pulmonar e doenças respiratórias crónicas(Colorado, 2001). Devido a estes impactos negativos, as concentraçõesdeozononabaixatroposferaencontra-selegisladaemPortugalatravésdoDecreto-Lei320/2003,de20deDezembro.
Aconcentraçãodefundodeozononacamadalimite,ousejaàsuperfície,resulta de mecanismos dinâmicos e químicos:
(1) Intrusãodeozonoestratosfériconatroposferalivreeposteriortransportepara a camada limite;
(2) Reacçõesfotoquímicasqueenvolvemometano,omonóxidodecarbonoeóxidosdeazoto;
Contudo,amaiorfontedeozononestacamadasãoosprocessosfotoquímicosqueenvolvemasemissõesdeóxidodeazotoeváriasclassesdecompostosorgânicosvoláteisreactivos.
ADirectivaComunitária2002/03/CE,transpostaparaodireitointernopelaDL320/2003,obrigaosestadosmembrosainformar,justificaredesenvolverplanosdeacçãodecurtoprazo(Artigo7º).Estesplanosdeverãocontemplarindicaçõesdemedidasespecíficasatomar,acurtoprazo,semprequehajaumriscodeexcedênciadolimitedealerta(240µg.m-3)esemprequehajaumpotencialdereduçãodesseriscoouduraçãoeintensidadedequalquerexcedência do limite de alerta. Para tal, os Estados Membros deverãoinvestigareavaliaropotencialdestasmedidasdereduçãodecurtoprazo.Deverãotambéminformaropúblicoemgeral,evariadasorganizaçõesemparticular,sobreosresultadosdosplanosdeacçãodecurtoprazo.Poroutrolado,deverãoadvertiropúblico sobreoepisódiodeexcedênciaequaloplanodeacçãoparaminimizaroepisódiodepoluiçãoetambémfazerumprognósticoparaodia,e/ouparaospróximosdiaserecomendarcondutasdeprecauçãoagruposderisco.
Taisplanosdeacçãonãosãopassíveisdeaplicaçãoquandoosepisódiosdeozonomedidosàsuperfíciesedevemafenómenosnaturais,comoosãoasintrusõesdeozonoestratosfériconacamadalimite.
OfactodeaDirectivaobrigaraoprognósticodeozonoquandoseverificaumepisódiomostracomoé importanteconhecer,comomaiorrigorpos-sível, a contribuição do ozono estratosférico na troposfera paramelhorar osresultadosobtidosnamodelaçãodaquímicatroposférica(Elbernetal.,1997;Bianetal.,1999).
145Atrocadeozonoentreasdiferentescamadasdaatmosfera,nomeadamenteentreacamadalimiteatmosférica,a troposfera livreeabaixa troposfera,constitui actualmente um tópico científico importante quando se trata deestimarobalançodeozonotroposférico.Astrocasdemassasdearestra-tosféricas/troposféricasdesempenhamumpapelimportantenadistribuiçãodeoutrosconstituintesatmosféricos,nomeadamenteaerossóis,gasescomefeitodeestufa,eataxadetransporteentreasduascamadasafectaoseubalançoquímico.
Warneck(1988),descrevequatroprocessosresponsáveispelatrocademas-sas de ar através da tropopausa:
(i) Ajustamentosazonaldonívelmédiodatropopausa;
(ii) Movimentosmédiosorganizadosdegrandeescaladevidoacirculaçõesmeridionais;
(iii)Processosde troca turbulentaviafalhasda tropopausa,oudepressõesdesta, associadas com as correntes de jacto;
(iv)Transportedepequenosturbilhõesatravésdatodaatropopausa.
Estudos climatológicos indicamque os processos extratropicais de trans-ferênciaporturbilhõesmaiseficientessãofenómenosdemesoscaladede-pressõesdatropopausaegotafria(Elbernetal.,1998).Esteestudoreveloutambémqueasocorrênciassignificativasserestringemàslatitudesmédiasde30º,equesãomaisintensasnoHemisférioNorte.DavieseSchuepbach(1994)indicamqueasmassasdearestratosféricaspodemserdetectadasàsuperfície,apesardaocorrênciadeeventosprofundosqueopermitamserescassa.
As“dobras”natropopausaobservam-sequandoseverificamvaloresanómalosdevorticidadepotencial isentrópicanormalmenteemformade línguaemdirecçãoaoequador,equeseformamatravésdotransporteisentrópicoemperturbaçõesciclónicaseanticiclónicasdelargaescala(Figura1).
Figura 1 – Perturbaçõesciclónicaseanticiclónicasdelargaescala
(Brasseuretal.,1999).
146 Emcertas circunstâncias, estasdepressõesda tropopausa têma formadelínguas estreitas formando filamentos alongados, noutras circunstânciasformam-seestruturascoerentescontendomassasdearcomvaloreselevadosde vorticidade potencial (gotas frias) (Holton et al., 1995 in Zanis et al,2003).
Oseventosdeintrusãodearestratosféricodemaiorinteressesãoaquelesqueconseguematingirasuperfície,poisalteramacomposiçãoquímicadatroposfera através da mistura de massas de ar com composição químicadiferente.Osparâmetrosquepermitemdetectarumamassadearestratosféricoà superfície são o ozono, o vapor de água, a vorticidade potencial, e osisótopos7e10doBerílio.
Asestaçõesdemonitorizaçãodemontanha têmumaprobabilidademaiorde registar eventosde intrusão.Estudos estatísticosbaseados em registosde 7Be,ozonoehumidade relativa,paraumadécada, feitosporElbern ecolaboradores(1997,inZanisetal.2003),adquiridosemduasestaçõesdosAlpesalemães(ZugspitzeandWank)mostramqueoseventosdeintrusãoafectamZugspitze(2962m)durante5%dotempoeWank(1776)menosde2,5%.Jameseco-autores(2002,inZanisetal.2003)mostraramumainfluênciade8,8%poraplicaçãodeumfiltrodiferenteaosdadosdeWank.Contudo,éprecisonotarqueafrequênciaabsolutadeintrusõesestratosféricasprofundasdependemuitodosvaloreslimiteespecificadoscomocritérioparao 7Be, ozono e humidade relativa.
3. metodologIA
OprojectoSTRATOZONencontra-sedivididoem4tarefas:
-Tarefa1:Identificaçãodohistorialdeepisódiosdeozono;
-Tarefa2:Análisedepadrõesmeteorológicos;
-Tarefa3:Modelaçãodosepisódiosdeozonodecurtaduração;
-Tarefa4:Desenvolvimentodedirectrizesparaoutilizadorfinal.
Natarefa1foiefectuadaafiltragemdassérieslongasdemediçãodeozonosuperficial, adquiridas pela rede de qualidade do ar sob a responsabili- dadedoInstitutodoAmbiente(Figura2)deacordocomametodologiadaFigura3.Poroutrolado,efectuou-seuminventáriodosdiascomconcen-traçõesmédiashoráriaselevadasdeozonoàsuperfícieapartirdosregistosdas estações do Instituto deMeteorologia desde 1971, um inventário devariaçõesbruscasdaquantidade total deozono emLisboa enoFunchal,e um inventário de situações de tropopausasmúltiplas nas sondagens deLisboa, Lajes e Funchal.
Combase naanálise de toda a informação disponível relacionada com aestruturaverticaldaatmosfera,foiefectuadoemestudoaonívelsinópticoedemesoscaladasituaçãometeorológica,centradonodiaidentificadocomo
147episódiodeelevadaconcentraçãodeozonosuperficial,considerandoos8diasanterioreseos2diasposterioresaoepisódio.
Figura 2 – LocalizaçãodasestaçõesdequalidadedoaremPortugalContinental.
a) Valores > 300 µg.m-3 (150 ppb) ou < 0 µg.m-3;b) Valores constantes (+/- 1%) em 8 horas;c) Valores > 280 µg.m-3 (140 ppb) por mais de 8 horas;d) Valores > 200 µg.m-3 (100 ppb) por mais de 10 horas;e) Valores < 4 µg.m-3 (2 ppb) por mais de 6 horas.
Validação usando a metodologia da WMO
Identificação dos episódios de interesse
para o projecto
Tratamento estatístico
dos dados
Dados originais A metodologia considera os dados questionáveis nos seguintes casos:
Nos casos das alíneas a), c) e d) os dados considerados questionáveis foram isolados para avaliação posterior, enquanto que os dados questionáveis classificados com as alíneas b) e e) foram rejeitados.
Anoscom efic. <75%
Rejeição das séries
associadas às estações
Sim
Não
1) O método de validação dos dados de ozono adoptado da WMO;2) Data de ocorrência (nomeadamente episódiosde Inverno – entre Novembro e Fevereiro);3) Na hora de ocorrência (nomeadamente os episódios nocturnos, considerando-se das 21h às 7h);4) No número de estações em que o episódio ocorre simultaneamente (três ou mais estações); 5) No número de regiões de ocorrência simultânea de episódios (duas ou mais regiões).
Critérios:
Figura 3 – Metodologia.
Actualmenteestáadecorreratarefa3,referenteàmodelaçãodosepisódiosde ozonodecurta duração, onde se pretende amodelação da tropopausadinâmica durante os dias de episódio de ozono à superfície de forma afundamentar,emtermosnuméricos,asconclusõesdatarefa2eprocederaumrefinamentodascondiçõesiniciaisedefronteiraaintroduzirnosistema
148 demodelosdemesoscala(tendoemconsideraçãoasconclusõesdatarefa1,noqueserefereaperfisverticais).
Atarefa4consistiránodesenvolvimentodeumdocumentocontendodirec-trizes,aentregaraoInstitutodoAmbiente,comajustificaçãocientíficadeepisódiosdeozonosuperficiaisdevidosaotransportedinâmicopelaatmos-fera.
4. resultAdos Osresultadosdatarefa1permitiramaidentificaçãodeepisódiosdeozono(>180mg/m3)medidosemPortugaleasuacorrelaçãocomacolunatotaldeozono,esperando-sequeosepisódiosdeinteressenãoestejamcorrelacionadoscomproduçãofotoquímicaàsuperfície.
A análise de padrões meteorológicos efectuados na tarefa 2, permitiu acaracterização das condições meteorológicas presentes nos episódios deozonoidentificados.Aobtençãodeinformaçãometeorológicaadiferentesníveisdaatmosfera(recorrendoaosarquivosdoInstitutodeMeteorologiaedoEuropeanCentre forMedium-RangeWeatherForecasts -ECMWF),deformaaconseguirumacorrectaavaliaçãodoseuestado,permitiuobterinformação de determinados parâmetros meteorológicos, tais como avorticidade potencial isentrópica, que permite a identificação de intrusãodearestratosféricoeidentificaçãodosníveisdatropopausa(Figura4).Foitambémefectuada:aanálisedasimagensobtidaspelosatéliteMeteosat,emparticularocanaldeWV,comoobjectivodeavaliaraszonasdeintrusãodearestratosférico;traçadoeanálisedecartasdetropopausaesuaintegraçãocom imagens do WV; a identificação dos fenómenos meteorológicos,tanto de grande escala como demesoescala, tais como afundamentos datropopausae“cut-offlows”queprovocaramintrusãodearestratosfériconatroposfera;avaliaçãodos resultadosobtidose identificaçãodascondiçõesmeteorológicasquecontribuemparaoaumentodosvaloreseozonoregistadosàsuperfície.
149
Figura 4 – Exemplodomapadatropopausaemcoordenadasisobáricasparaodia10/01/1996,usandoatécnicadasobreposiçãodeisopletas,mostrandoosmáximosdepressãodatropopausa(hPa):A)às00H00UTC,localizadajuntoaumadobradatropopausa;eB)às06H00UTC,localizadasobreabolhadearestratosférico(Borregoetal.,2004).
A)Máximodatropopausa:553hPa(50ºN;20ºW)
B)Máximodatropopausa:>700hPa(53ºN;23ºW)
150 referêncIAs bIblIográfIcAs Borrego,C.,Barros,N.,Fontes,T.,Carvalho,A.C.,Miranda,A.I.,Monteiro,A.eMartins,H.(2003).AvaliaçãodaQualidadedoArRelativamenteaoOzonoTroposféricoemPortugal. In: INGENIUM,Novembro/Dezembro2003-Nº79,pp.61-67.
Brasseur,G.P.,Orlando,J.J.,Tyndall,G.S.(1999).Atmospheric Chemistry and Global Change.OxfordUniversityPress.
Bian,Xindi,Richland,W.A.,Fast,J.D.,(1999).Correlation between potential vorticity and ozone in the troposphere and lower stratosphere over eastern North America during the summer of 1991,[Emlinha].Disponívelemhttp://www.confex2.com/ams/99annual7abstracts7800.htm[Consultadoem20/04/2004].
Colorado,(2001).Air Quality Data Report.ColoradoDepartmentofPublicHealthandEnvironment,AirPollutionControlDivision,APCD-TS-B1.
Davies,T.D.,Schuepbach,E.,(1994).Episodesofhighozoneconcentrationsattheearth´ssurfaceresultingfromtransportdownfromtheuppertroposphere/lowerstratosphere: a review and case studies . In: Atm. Env.,28,pp.53-58.
Decreto-Lei623/96de31deOutubro,(1996).Incumbe ao Instituto de Meteorologia estabelecer os mecanismos de monitorização, de intercâmbio de informações e de informação e alerta da população, no que respeita à poluição atmosférica pelo ozono.
Directiva2002/03/CEdoParlamentoEuropeuedoConselho.Relativa ao ozono no ar ambiente.
Elbern,H.,Hendricks,J.,Ebel,A.,(1998).Aclimatologytropopausefoldsbyglobal analysis. . In: Theoretical and Aplied Climatology,59,pp.181-200.
Elbern,H.,Kowol,J.,Sládkovic,R.,Ebel,A.,(1997).Deepstratosphericintrusions:a atatistical assessment with model guided analysis. In: Atmos. Env., Vol.31,N.º10,pp.3207-3226.
Warneck,P.,(1988),Chemistry of the Natural Atmosphere, International GeophysicsSeries,Vol.41,Eds:RenataDmowskaandJamesR.Holton.
ZanisP.,T.,Trickl,Stohl,A.,Wernli,H.,Cooper,O.,Zerefos,C.,Gaeggeler,H.,Schnabel,C.,Tobler,L.,Kubik,P.W.,Priller,A.,Scheel,H.E.,Kanter,H.J.,Cristofanelli,P.,Forster,C.,James,P.,Gerasopoulos,E.,Delcoo,A.,Papayannis,A.,Claude,H.,(2003).Forecast, observation and modeling of a deep stratospheric intrusion event over Europe, Atmospheric Chemistry and Physics DiscussionsEuropeanGeosciencesUnion,[Emlinha].Disponívelem http://www.atmos-chem-phys.org/acpd/3/1109.[Consultadoem20/04/2004].
