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Impacto da regulamentação de emissões de navios nas mudanças na composição do aerossol urbano revelado por receptor e modelagem numérica

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May 14, 2023

Impacto da regulamentação de emissões de navios nas mudanças na composição do aerossol urbano revelado por receptor e modelagem numérica

npj Clima e Ciência Atmosférica

npj Climate and Atmospheric Science volume 6, Número do artigo: 52 (2023) Cite este artigo

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Detalhes das métricas

Vários controles de emissões de navios foram recentemente implementados em escala local e nacional. No entanto, é difícil rastrear o efeito destes nos níveis de PM2,5, devido à relação não linear que existe entre as mudanças nas emissões precursoras e nos componentes do PM. A Fatoração de Matriz Positiva (PMF) identifica que uma mudança para combustíveis mais limpos desde janeiro de 2020 resulta em reduções consideráveis ​​de PM2.5 relacionados à origem do transporte marítimo, especialmente aerossóis de sulfato e metais (V e Ni), não apenas em um porto, mas também em um local de fundo urbano. A análise de sensibilidade do CMAQ revela que a redução de aerossóis inorgânicos secundários (SIA) se estende ainda mais às áreas interiores a favor do vento dos portos. Além disso, a mitigação de aerossóis orgânicos secundários (SOA) em áreas urbanas costeiras pode ser antecipada a partir dos resultados da modelagem do receptor ou das simulações do CMAQ. Os resultados deste estudo mostram a possibilidade de obter benefícios à saúde humana em cidades litorâneas por meio do controle de emissões de navios.

As preocupações sobre a contribuição dos poluentes atmosféricos do setor de navegação para as emissões globais foram amplamente revisadas1,2,3,4. As emissões de navios oceânicos são estimadas em 5–8% e 15% dos óxidos de enxofre (SOx) e óxidos de nitrogênio (NOx) antropogênicos globais, respectivamente1. Em média, 70% dos poluentes atmosféricos das atividades marítimas são emitidos a 400 km da costa, indicando a importância potencial da carga de poluição do ar causada por navios nas cidades costeiras e os níveis globais de material particulado de fundo5. Estimou-se que as emissões dos navios associadas às manobras e hotéis no porto de Los Angeles contribuíram com 1,4% das PM2,5 primárias observadas a 80 km terra adentro6. As contribuições das emissões de navios foram estimadas em 1–14% das concentrações de PM2,5 observadas nas regiões costeiras da Europa e representam até 25% para PM2,5 primário em áreas críticas1,2,5. A vida útil mais curta de NOx dentro da pluma de emissões do navio (~1,8 horas) em comparação com as condições marinhas ambientais típicas (~6,6 h ao meio-dia) pode resultar em níveis aumentados de aerossóis de nitrato (por exemplo, NH4NO3 e NaNO3) perto das rotas marítimas7. Além disso, a taxa de conversão acelerada de dióxido de enxofre (SO2) em sulfato (SO42−) em plumas de transporte com elementos metálicos (emitidos da combustão de óleos combustíveis pesados) que atuam como catalisadores em processos de oxidação, pode explicar níveis elevados de aerossóis de sulfato (por exemplo, (NH4)2SO4 e NH4HSO4) na camada limite marinha8,9. Além disso, massas de ar transportadas enriquecidas em SO2 com condições atmosféricas favoráveis ​​(alta umidade relativa) para a formação de SIA podem resultar em aerossóis de sulfato elevados perto de cidades costeiras10,11.

O impacto significativo das emissões de navios não apenas na qualidade do ar, mas também em resultados adversos à saúde, como doenças cardiovasculares, doenças respiratórias e morte prematura, foi bem documentado4,12,13,14,15,16,17. De acordo com uma pesquisa de especialistas do projeto WHO-HRAPIE, as emissões de navios têm sido consideradas uma importante categoria de fonte em relação à saúde em escala global, devido ao aumento da poluição do ar associada ao aumento do comércio internacional e ao uso de combustíveis de baixa qualidade que resultam em aerossóis contendo elementos tóxicos16,18,19,20. As preocupações sobre os níveis elevados de metais em aerossóis, especialmente vanádio (V) e níquel (Ni) em regiões portuárias foram delineadas21, pois plumas de transporte com acidez relativamente alta podem aumentar a biodisponibilidade dessas espécies metálicas8,22,23,24. O alto potencial de riscos à saúde de produtos químicos orgânicos tóxicos associados às emissões de exaustão de embarcações, como hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAHs) e dibenzo-p-dioxinas policloradas e dibenzofuranos policlorados (PCDD/Fs), também foi abordado5,25, e nano -partículas originárias de emissões de escapamento de navios em regiões costeiras têm sido levantadas como preocupações4,19,26,27.

 0.9), compared to the plots for raw measurements (see Supplementary Fig. 4). When the spatial distribution of ratios between shipping tracers was assessed, a slightly enhanced ratio of V to Ni (V/Ni) in PM2.5 was observed at Sin-Hang (2.2, see Fig. 3a), compared to Yeon-San (1.8, see Fig. 3b). The V/Ni ratios obtained in this study were comparable to those reported by others. Manousaks et al. reported that the V/Ni ratio in PM2.5, derived from the PMF shipping-source is 3.040. It was shown that the V/Ni ratios were 2.3–3.5 and 2.06 for shipping exhausts and crustal sources, respectively1,41. The V/Ni ratio measured in shipping fuel oil was about 2.542. Meanwhile, interestingly the ratios of nss-SO42− to V (nss-SO42−/V) in PM2.5 were apparently distinguishable between the two sites, with mean ratios of 35 and 362 at Sin-Hang and Yeon-San, respectively (see Fig. 3c, d). The fact that ammonium sulphates are major secondary inorganic components in PM2.5 and formed during transport may result in the developed levels of SO42− in inland areas. Therefore, it may be inferred that around 90% of nss-SO42− in PM2.5 is attributable to secondary formation at Yeon-San, approximately 6 km to the north of the port regions, while only 10% of nss-SO42− is associated with freshly emitted emissions, under the following assumptions: chemical reaction of V contained in PM2.5 is minor during transport from near port regions to inland location; and the use of PMF-resolved ratio between two components (i.e., nss-SO42−/V) can normalise the shipping plume dilution effect. It was demonstrated that the nss-SO42−/V ratio measured from shipping exhausts ranged from 11 to 2741, and the higher ratio of 200–400 was obtained from inland urban aerosols in the summer, associated with shipping as the source1. The significant contribution from shipping emissions to secondary PM2.5 formation has been outlined in other studies. At Yangshan Harbour in China, the shipping-source contribution to annual PM2.5 was estimated as 1.02 μg m−3 using a PMF-based method, and this value was higher by one order of magnitude than that of primary PM2.5 estimated from V-based method (0.10 μg m−3)16,43. These results have significant implications in terms of the wisdom of controlling shipping emissions in coastal cities to mitigate PM2.5 levels, which can ultimately provide human health benefits./p> 9) and aromatics are more associated with shipping emissions, than vehicular exhausts9. The halogenated hydrocarbons such as chlorofluorocarbon (CFCs), tetrachloroethylene (TCE) and hexachlorobutadiene (HCBD) have been considered as indicators for aged air masses47,48,49,50, however the spatial analysis result in this study showed that these trace gases might be enhanced by local sources in port regions. As shown in Fig. 4a, this factor showed strong seasonality, having an enhanced contribution in summer when influenced by oceanic air masses. As well, there was a distinctive diurnal pattern with higher levels during the daytime. The PMF-derived polar plot showed that the largest concentration for trace gases at Site A was determined by southerly wind at with relatively low wind speed. Thus, Factor 1 was assigned to shipping emission sources./p> 10) appeared in the PMF shipping-source profile (see Supplementary Fig. 7) and intermediate VOCs (IVOC) has been highlighted in SOA formation potential9,67,68./p> MDL; 0.2 when Cij ≦ MDL), and MDL is the detection limit determined by means of repeated measurements./p>