Exercícios: A poluição das camadas fluidas

Distingue entre poluente primário e poluente secundário e apresenta um exemplo de cada um na atmosfera.

O esquema resume o processo das chuvas ácidas. Identifica os gases assinalados com 1 e 2 que as originam, explica como se formam a partir deles e descreve os seus efeitos sobre as rochas calcárias e os ecossistemas aquáticos.

Refere três fontes de poluição das águas continentais e classifica-as em pontuais ou difusas.

O que é o smog e que diferenças existem entre o smog clássico, associado ao carvão e ao nevoeiro, e o smog fotoquímico das grandes cidades atuais?

Refere três efeitos da poluição atmosférica sobre a saúde humana e associa a cada um deles um poluente responsável.

O que é a eutrofização de um lago ou de um estuário e que nutrientes a desencadeiam?

O que são metais pesados, como o chumbo, o mercúrio ou o cádmio, e por que razão causam preocupação mesmo quando libertados em baixas concentrações? Tem em conta a sua persistência e bioacumulação.

Que função desempenha a camada de ozono estratosférica e que gases artificiais a destruíram? Que acordo internacional os proibiu?

O ozono troposférico é um poluente secundário que se forma por reações fotoquímicas entre os óxidos de azoto ($\text{NO}_x$) e os compostos orgânicos voláteis. Explica por que razão os seus máximos se registam no verão e a sotavento das grandes cidades.

A carência bioquímica de oxigénio (CBO) mede a matéria orgânica presente na água. Uma descarga de lixiviado eleva bruscamente a CBO de um rio: descreve a cadeia de efeitos sobre o oxigénio dissolvido e sobre a vida aquática.

Os nitratos de origem agrícola contaminam numerosos aquíferos portugueses. Explica por que razão a poluição difusa é mais difícil de controlar do que uma descarga industrial pontual e propõe duas medidas de gestão.

O que é a pegada de carbono e que gases com efeito de estufa, para além do $\text{CO}_2$, contabiliza? Dá um exemplo de atividade quotidiana com pegada alta e outro com pegada baixa.

A chuva ácida da Escandinávia resultava em parte de emissões de outros países europeus. Explica o transporte a longa distância dos poluentes atmosféricos e as suas implicações para a cooperação internacional.

Compara os tratamentos primário, secundário e terciário de uma estação de tratamento de águas residuais (ETAR): o que elimina cada um (sólidos, matéria orgânica, nutrientes) e que qualidade de água se obtém após cada fase.

O que é a biomagnificação? Traça a concentração de mercúrio ao longo de uma cadeia trófica marinha (fitoplâncton, pequenos peixes, atum, ser humano) e explica o seu risco.

Podes fazê-lo em papel e enviar uma fotografia com a tua resposta.

O que medem os índices de qualidade do ar e como se utilizam os seus limiares de alerta? Explica que ações são ativadas numa cidade quando estes são ultrapassados (limitação do tráfego, avisos à população sensível).

Um artigo de divulgação afirma: «Dado que o vapor de água representa mais de 60 % do efeito de estufa natural, as emissões antrópicas de $\text{CO}_2$ e $\text{CH}_4$ carecem de relevância geoclimática; além disso, o metano degrada-se em pouco mais de uma década, pelo que o seu controlo não é prioritário».

1. a) Rebate este argumento justificando por que razão o vapor de água atua como um retroefeito interno do sistema climático e não como uma forçante radiativa inicial, ao contrário do $\text{CO}_2$.
2. b) Compara o potencial de aquecimento global (PAG) e o tempo médio de residência na atmosfera do $\text{CH}_4$ e do $\text{CO}_2$. Prevê as consequências climáticas a curto prazo (20 anos) face ao longo prazo (100 anos) se se priorizasse exclusivamente a mitigação do metano.
3. c) Seleciona uma consequência geológica observável na atualidade associada ao aumento térmico global (na criosfera ou na dinâmica litoral), explica o seu mecanismo físico e indica que indicador de campo permite medi-la.

Numa bacia intramontana onde se localiza uma cidade industrial, registam-se os seguintes dados de temperatura do ar às 07:00 h num dia limpo de inverno:

• Nível do solo (600 m): 1,0 °C

• 800 m: -1,0 °C

• 1 000 m: 6,0 °C

• 1 300 m: 3,5 °C

• 1 600 m: 0,5 °C

Uma chaminé industrial situada a 600 m emite fumos a 1 050 m de altitude com uma temperatura de saída de 4,0 °C.

1. a) Identifica o troço altitudinal exato onde existe inversão térmica, calcula o gradiente térmico vertical nesse intervalo e explica o mecanismo meteorológico e topográfico que o gerou durante a noite.
2. b) Prevê fundamentadamente o comportamento dinâmico da pluma emitida a 1 050 m: irá ascender livremente, descenderá em direção ao fundo do vale ou ficará retida em flutuação neutra? Justifica-o comparando a densidade e a temperatura da pluma com as do ar circundante.
3. c) Se a partir do meio-dia a insolação elevar a temperatura do solo para 12,0 °C, prevê o que acontecerá à estrutura vertical da atmosfera e como evoluirá a concentração de poluentes ao nível da rua durante a rutura da inversão.

Foram encontradas concentrações elevadas de microfibras sintéticas (poliéster, massa volúmica média $\approx 1,38\text{ g/cm}^3$) tanto em sedimentos de fossas oceânicas ultraprofundas (> 8 000 m) como a flutuar na película superficial marinha (microlayer).

1. a) Resolve o aparente paradoxo físico: se o poliéster é sensivelmente mais denso do que a água do mar superficial ($\approx 1,025\text{ g/cm}^3$), que processos hidrodinâmicos e biológicos (como a tensão superficial, o biofouling e a «neve marinha») explicam tanto a sua flutuabilidade inicial prolongada como o seu transporte acelerado em direção aos fundos abissais?
2. b) Se uma estação de tratamento de águas residuais (ETAR) convencional retém nas suas lamas primárias e secundárias até 95 % destas microfibras provenientes da lavagem têxtil, justifica por que razão isto não resolve o problema ambiental se essas lamas forem reutilizadas como fertilizante agrícola.
3. c) Concebe duas barreiras preventivas ou corretivas viáveis: uma tecnológica aplicável no ciclo hidrológico urbano e outra ao nível da ciência de materiais têxteis, avaliando as suas possíveis limitações técnicas.

Considera o sistema de equilíbrio do carbono inorgânico na água do mar:

(1) $\text{CO}_2\text{ (g)} \rightleftharpoons \text{CO}_2\text{ (aq)}$

(2) $\text{CO}_2\text{ (aq)} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3 \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{HCO}_3^-$

(3) $\text{H}^+ + \text{CO}_3^{2-} \rightleftharpoons \text{HCO}_3^-$

(4) $\text{Ca}^{2+} + \text{CO}_3^{2-} \rightleftharpoons \text{CaCO}_3\text{ (s)}$

1. a) Se a queima de combustíveis fósseis injetar $\text{CO}_2$ maciçamente na atmosfera, aplica o princípio de Le Chatelier para prever como se desloca cada equilíbrio. Justifica por que razão diminui a concentração do ião carbonato ($\text{CO}_3^{2-}$), apesar de a quantidade total de carbono dissolvido no oceano aumentar.
2. b) Relaciona a redução de $\text{CO}_3^{2-}$ com o produto de solubilidade do carbonato de cálcio e o estado de saturação ($\Omega$) da calcite e da aragonite. Prevê as consequências para a profundidade de compensação da calcite (CCD) e para a preservação dos fósseis e conchas bentónicas.
3. c) Para combater este problema, propôs-se a geoengenharia de «meteorização acelerada» mediante o despejo controlado de minerais básicos (como olivina finamente moída) em zonas costeiras. Justifica geoquimicamente o seu fundamento e indica dois riscos ecológicos associados.

Após um episódio de chuvas torrenciais associadas a uma depressão isolada em níveis altos (DANA) numa bacia agrícola, entram numa laguna costeira pouco profunda milhões de metros cúbicos de água doce carregada de nitratos e fosfatos. Três semanas depois, regista-se uma queda do oxigénio dissolvido no fundo para 0,1 mg/L, com anoxia quase total e mortalidade maciça de peixes e bivalves, enquanto nos primeiros 30 cm da coluna de água o oxigénio se situa em 8,0 mg/L.

1. a) Justifica a formação de uma picnoclina (gradiente combinado de salinidade e temperatura) após a enxurrada torrencial e explica fisicamente por que razão impede a reoxigenação dos fundos por difusão atmosférica ou mistura mecânica por vento moderado.
2. b) Descreve a cascata biogeoquímica que desencadeia a proliferação e posterior colapso de fitoplâncton, detalhando a degradação bacteriana da biomassa no fundo e a libertação maciça de fósforo a partir dos sedimentos em condições de anoxia (ciclo de retroalimentação positiva).
3. c) Avalia de forma crítica duas intervenções alternativas: alargar e dragar os canais de ligação com o mar aberto face a construir uma cintura perimétrica de zonas húmidas artificiais e biorreatores de aparas de madeira para tratar a água freática e de escoamento. Justifica qual é ambientalmente sustentável e qual poderia alterar irreversivelmente a natureza ecológica da laguna.

Nos modelos de balanço global de carbono assume-se que os oceanos e as massas florestais continuarão a absorver cerca de 50 % das emissões antropogénicas líquidas. No entanto, diversos biogeoquímicos alertam para a instabilidade destes sumidouros face à mudança global.

1. a) Utilizando a lei de Henry e as alterações na estratificação oceânica, prevê como afetarão o aquecimento térmico superficial e o abrandamento da circulação termohalina (AMOC) a bomba de solubilidade e a bomba biológica marinha.
2. b) Nos ecossistemas florestais boreais e temperados, analisa como interagem o aumento das temperaturas estivais e o stresse hídrico sobre o quociente entre fotossíntese líquida e respiração heterotrófica edáfica. Sob que circunstâncias pode uma floresta madura transformar-se de sumidouro em fonte líquida de $\text{CO}_2$?
3. c) Uma companhia aérea comercial oferece bilhetes «neutros em carbono» investindo parte do valor do bilhete em plantações monoespecíficas de árvores de crescimento rápido em áreas de pastagem. Demonstra a assimetria geológica e temporal desta compensação, refutando que um depósito biológico lábil equivalha ao confinamento geológico permanente dos combustíveis fósseis extraídos.

Uma central térmica convencional descarrega a sua água de refrigeração num rio cujo caudal na estiagem é de 15,0 m³/s. A descarga aumenta a temperatura média do troço recetor de 18,0 °C para 28,0 °C. A montante da descarga, o rio recebe ainda o efluente secundário de uma ETAR urbana com uma CBO₅ residual de 20,0 mg/L.

1. a) Explica o impacto letal conjunto sobre a ictiofauna autóctone mediante dois fatores contrapostos: a termodinâmica do gás dissolvido (curva de saturação de $\text{O}_2$ na água) e a lei metabólica de $Q_{10}$ (segundo a qual o metabolismo basal e o consumo de oxigénio dos organismos poiquilotérmicos duplicam por cada 10 °C de aumento térmico).
2. b) Esboça mentalmente ou descreve de forma fundamentada a curva de queda e recuperação de oxigénio dissolvido (curva de Streeter-Phelps) a jusante da descarga térmica em comparação com a que se observaria a 18,0 °C. Especifica o que acontece com a velocidade de degradação biológica da matéria orgânica e com a posição do ponto crítico de défice de oxigénio.
3. c) Compara técnica e ambientalmente duas medidas mitigadoras na central: instalar torres de refrigeração de circuito fechado evaporativo versus construir lagoas rasas de retenção e arrefecimento natural antes da descarga fluvial. Avalia o consumo consuntivo de água e o impacto no microclima local de ambas.

Os poluentes orgânicos persistentes (POP), como o hexaclorobenzeno (HCB) e os bifenilos policlorados (PCB), apresentam concentrações mil vezes mais elevadas no tecido adiposo de ursos-polares e cetáceos árticos do que no fitoplâncton dos mares polares, apesar de nessas latitudes não existirem fontes industriais que os emitam.

1. a) Explica o processo de destilação global fracionada («efeito gafanhoto»): fundamenta de que forma as variações latitudinais de temperatura, juntamente com a pressão de vapor e a hidrofobicidade de cada substância, determinam que poluentes atingem as zonas polares e quais se depositam em latitudes temperadas.
2. b) Justifica, através das propriedades físico-químicas do composto (em particular o coeficiente de partição octanol-água, $\log K_{ow} > 5$) e da estrutura das cadeias tróficas árticas, por que razão estes compostos sofrem uma biomagnificação tão acentuada nos níveis tróficos superiores, diferenciando claramente biomagnificação de bioconcentração.
3. c) Nas últimas décadas constatou-se que o degelo do permafrost e a redução da banquisa ártica estival estão a provocar aumentos locais de concentração de DDT e lindano na água superficial polar, décadas após a sua proibição pela Convenção de Estocolmo. Formula duas hipóteses geoquímicas que expliquem como o aquecimento global converte os reservatórios criosféricos árticos de sumidouros secundários em novas fontes ativas de POP.

Desafio do tema. Diagnóstico ambiental de um episódio de dispersão atmosférica e hidrológica.

Imagina que prestas consultoria ao departamento de ambiente do teu município. Analisa como a dinâmica atmosférica recente condicionou a qualidade do ar e da água no teu meio envolvente:

1. Recolha de dados: Consulta no IPMA e no portal da Agência Portuguesa do Ambiente (QualAr) os registos da tua estação mais próxima dos últimos 5 dias: pressão à superfície ($hPa$), velocidade do vento ($m/s$), precipitação ($mm$) e níveis de $PM_{10}$ ou $NO_2$ ($\mu g/m^3$).

2. Dinâmica e dispersão: Elabora uma tabela comparativa e fundamenta se o predomínio anticiclónico ou uma inversão térmica na troposfera favoreceu o confinamento de poluentes face a situações ciclónicas de maior mistura convectiva.

3. Interação com a hidrosfera: Avalia como a lavagem atmosférica por precipitações (com possível $pH < 5,6$) ou o escoamento superficial urbano transfere essa carga poluente para um rio ou aquífero próximo, alterando parâmetros como a turvação ou o oxigénio dissolvido.

4. Proposta de ação: Desenha um relatório executivo de uma página com duas medidas de contingência baseadas na previsão meteorológica para mitigar picos de emissão.

Avaliar-se-á:

• Precisão conceptual ao integrar a dinâmica troposférica com o transporte de poluentes.

• Coerência na explicação da transferência de massa entre atmosfera e hidrosfera.

• Uso rigoroso e tratamento gráfico dos dados oficiais obtidos.