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Compreendendo a poluição do ar vinda do espaço
Arlene Fiore usa dados de satélite emparelhados com observações terrestres para refinar nossa compreensão sobre a poluição do ozônio e as interações com a meteorologia e o clima
Por Julia C. Keller - 09/01/2022


A mudança climática e a poluição do ar são crises interligadas que ameaçam a saúde humana. A redução das emissões de alguns poluentes atmosféricos pode ajudar a atingir as metas climáticas, e alguns esforços de mitigação do clima podem, por sua vez, melhorar a qualidade do ar.

Arlene Fiore, a professora Peter H. Stone e Paola Malanotte
Stone em Ciências da Terra, Atmosféricas e Planetárias do MIT,
usa dados de satélite para entender a poluição
do ozônio. Créditos: Foto: Steph Stevens

Uma parte do programa de pesquisa da Professora Arlene Fiore do MIT é investigar a ciência fundamental na compreensão dos poluentes do ar - por quanto tempo eles persistem e se movem em nosso ambiente para afetar a qualidade do ar.

“Precisamos entender as condições sob as quais os poluentes, como o ozônio, se formam. Quanto ozônio é formado localmente e quanto é transportado por longas distâncias? ” diz Fiore, que observa que a poluição do ar asiática pode ser transportada através do Oceano Pacífico para a América do Norte. “Precisamos pensar sobre os processos que abrangem dimensões locais a globais.”

Fiore, o professor Peter H. Stone e Paola Malanotte Stone em Ciências da Terra, Atmosféricas e Planetárias, analisa dados de leituras terrestres e de satélites, juntamente com modelos, para compreender melhor a química e o comportamento dos poluentes atmosféricos - que, em última análise pode informar estratégias de mitigação e definição de políticas.

Uma preocupação global

Na mais recente conferência sobre mudança climática das Nações Unidas, COP26, a gestão da qualidade do ar foi um tópico discutido em dois dias de apresentações.

“Respirar é vital. É a vida. Mas, para a grande maioria das pessoas neste planeta agora, o ar que respiram não está dando vida, mas abreviando ”, disse Sarah Vogel, vice-presidente sênior de saúde do Fundo de Defesa Ambiental, na sessão da COP26.

“Precisamos enfrentar este duplo desafio agora através de lentes de clima e ar limpo, de direcionar os poluentes que aquecem o ar e prejudicam nossa saúde.”

No início deste ano, a Organização Mundial da Saúde (OMS) atualizou suas diretrizes globais de qualidade do ar que havia emitido 15 anos antes para seis poluentes principais, incluindo ozônio (O 3 ), dióxido de nitrogênio (NO 2 ), dióxido de enxofre (SO 2 ) e carbono monóxido (CO). As novas diretrizes são mais rigorosas com base no que a OMS declarou ser “a qualidade e a quantidade de evidências” de como esses poluentes afetam a saúde humana. A OMS estima que cerca de 7 milhões de mortes prematuras são atribuíveis aos efeitos conjuntos da poluição do ar.

“Tivemos todas essas reduções de emissões de aerossóis e precursores de ozônio motivadas pela saúde. Quais são as implicações para o sistema climático, localmente, mas também ao redor do globo? Como a qualidade do ar responde às mudanças climáticas? Estudamos essas interações bidirecionais entre a poluição do ar e o sistema climático ”, diz Fiore.

Mas a ciência fundamental ainda é necessária para entender como os gases, como o ozônio e o dióxido de nitrogênio, permanecem e se movem pela troposfera - a camada mais baixa de nossa atmosfera, contendo o ar que respiramos.

“Nós nos preocupamos com o ozônio no ar que respiramos no local em que vivemos na superfície da Terra”, diz Fiore. “O ozônio reage com o tecido biológico e pode ser prejudicial às plantas e aos pulmões humanos. Mesmo se você for um adulto saudável, se estiver correndo muito durante um evento de poluição de ozônio, poderá sentir um peso extra nos pulmões. ”

Sinais indicadores do espaço

O ozônio não é emitido diretamente, mas se forma por meio de reações químicas catalisadas pela radiação do sol, interagindo com óxidos de nitrogênio - poluentes liberados em grande parte pela queima de combustíveis fósseis - e compostos orgânicos voláteis. No entanto, os instrumentos de satélite atuais não podem detectar o ozônio no nível do solo.

“Não podemos recuperar o ozônio da superfície ou mesmo próximo à superfície do espaço”, diz Fiore sobre os dados do satélite, “embora o lançamento antecipado de um novo instrumento pareça promissor para novos avanços na recuperação do ozônio troposférico inferior”. Em vez disso, os cientistas podem olhar para as assinaturas de outras emissões de gases para ter uma ideia da formação de ozônio. “Dióxido de nitrogênio e formaldeído são um grande foco de nossa pesquisa porque servem como substitutos para dois dos principais ingredientes que formam o ozônio na atmosfera.”

Para entender a formação de ozônio por meio desses poluentes precursores, os cientistas coletaram dados por mais de duas décadas usando instrumentos espectrômetros a bordo de satélites que medem a luz solar em comprimentos de onda ultravioleta e visível que interagem com esses poluentes na atmosfera terrestre - conhecida como radiação solar retroespalhada.

Satélites, como o Aura da NASA, carregam instrumentos como o Ozone Monitoring Instrument (OMI). OMI, junto com os satélites lançados na Europa, como o Global Ozone Monitoring Experiment (GOME) e o espectrômetro Scanning Imaging Absorption for Atmospheric CartograpHY (SCIAMACHY), e a mais nova geração do instrumento de monitoramento TROPOspheric (TROPOMI), todos orbitam a Terra, coletando dados durante horas de luz do dia, quando a luz do sol está interagindo com a atmosfera em um local específico.

Em um artigo recente do grupo de Fiore , a ex-estudante de graduação Xiaomeng Jin (agora pós-doutoranda na Universidade da Califórnia em Berkeley), demonstrou que poderia reunir e "reduzir o ruído dos dados", como diz Fiore, para identificar tendências na química de formação de ozônio em várias áreas metropolitanas dos EUA que "são consistentes com nosso conhecimento prático a partir de medições de ozônio in situ."

“Essa descoberta implica que podemos usar esses registros para aprender sobre as mudanças na química do ozônio de superfície em locais onde não temos monitoramento local”, disse Fiore. Extrair esses sinais juntando dados de satélite - OMI, GOME e SCIAMACHY - para produzir um registro de duas décadas exigiu a reconciliação dos diferentes dias de órbita, horários e campos de visão no solo ou resoluções espaciais dos instrumentos. 

Atualmente, instrumentos espectrômetros a bordo de satélites estão recuperando dados uma vez por dia. No entanto, instrumentos mais novos, como o Espectrômetro de Monitoramento Geoestacionário do Ambiente lançado em fevereiro de 2020 pelo Instituto Nacional de Pesquisa Ambiental do Ministério do Meio Ambiente da Coreia do Sul, monitorarão uma região específica continuamente, fornecendo muito mais dados em tempo real.

Na América do Norte, a colaboração em Emissões Troposféricas: Monitoramento de Pesquisa de Poluição (TEMPO) entre a NASA e o Observatório Astrofísico Smithsonian, liderado por Kelly Chance da Universidade de Harvard, fornecerá não apenas uma visão estacionária da química atmosférica do continente, mas também um visualização de resolução mais precisa - com o instrumento registrando dados de poluição de apenas algumas milhas quadradas por pixel (com lançamento previsto para 2022).

“Estamos muito entusiasmados com a oportunidade de ter uma cobertura contínua, onde obtemos medições de hora em hora que nos permitem acompanhar a poluição desde a hora do rush matinal ao longo do dia e ver como as nuvens de poluição estão evoluindo em tempo real”, diz Fiore.

Dados para as pessoas

Fornecer dados de observação da Terra a pessoas além de cientistas - a saber, gestores ambientais, planejadores de cidades e outros funcionários do governo - é o objetivo da Equipe de Ciências Aplicadas de Saúde e Qualidade do Ar da NASA (HAQAST).

Desde 2016, Fiore faz parte do HAQAST, incluindo “equipes de tigres” colaborativas - projetos que reúnem cientistas, entidades não governamentais e funcionários do governo - para reunir dados sobre questões reais.

Por exemplo, em 2017, Fiore liderou uma equipe de tigres que orientou as agências estaduais de gestão do ar sobre como os dados de satélite podem ser incorporados aos planos estaduais de implementação (SIPs). “O envio de um SIP é necessário para qualquer estado com uma região que não atinja os Padrões Nacionais de Qualidade do Ar Ambiental dos EUA para demonstrar sua abordagem para alcançar a conformidade com o padrão”, disse Fiore. “O que descobrimos é que pequenos ajustes, por exemplo, nas métricas que usamos para transmitir as descobertas científicas, podem ajudar muito a tornar a ciência mais utilizável, especialmente quando existem estruturas de políticas detalhadas em vigor que devem ser seguidas.”

Agora, em 2021, Fiore faz parte de duas equipes de tigres anunciadas pelo HAQAST no final de setembro. Uma equipe está analisando dados para tratar de questões de justiça ambiental, fornecendo dados para avaliar as comunidades afetadas desproporcionalmente por riscos ambientais à saúde. Essas informações podem ser usadas para estimar os benefícios dos investimentos governamentais em melhorias ambientais para comunidades desproporcionalmente sobrecarregadas. A outra equipe está analisando as emissões urbanas de óxidos de nitrogênio para tentar melhor quantificar e comunicar as incertezas nas estimativas das fontes antrópicas de poluição.

“Para o nosso trabalho HAQAST, estamos olhando não apenas para a estimativa da exposição aos poluentes do ar, ou em outras palavras, suas concentrações”, diz Fiore, “mas o quão confiantes estamos em nossas estimativas de exposição, que por sua vez afetam nosso entendimento da carga de saúde pública devido à exposição. Temos parceiros interessados ​​no Departamento de Saúde de Nova York que combinam conjuntos de dados de exposição com dados de saúde para ajudar a priorizar decisões sobre saúde pública.

“Gosto de trabalhar com partes interessadas que têm perguntas que exigem a resposta da ciência e podem fazer a diferença em suas decisões.” Fiore diz.

 

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