Carbono negro - Black carbon

O carbono negro é encontrado em todo o mundo, mas sua presença e impacto são particularmente fortes na Ásia.
O carbono negro está no ar e circula pelo globo.
O carbono negro viaja ao longo das correntes de vento das cidades asiáticas e se acumula no planalto tibetano e no sopé do Himalaia .

Quimicamente, o carbono negro ( BC ) é um componente de partículas finas (PM ≤ 2,5  µm no diâmetro aerodinâmico ). O carbono negro consiste em carbono puro em várias formas vinculadas. É formada pela combustão incompleta de combustíveis fósseis , biocombustíveis e biomassa , e é um dos principais tipos de partícula na fuligem antropogênica e natural . O carbono negro causa morbidez humana e mortalidade prematura. Por causa desses impactos na saúde humana, muitos países têm trabalhado para reduzir suas emissões, tornando-o um poluente de fácil redução em fontes antropogênicas.

Em climatologia , o carbono negro é um agente forçador do clima que contribui para o aquecimento global . O carbono negro aquece a Terra absorvendo a luz solar e aquecendo a atmosfera e reduzindo o albedo quando depositado na neve e no gelo (efeitos diretos) e indiretamente pela interação com as nuvens, com um forçamento total de 1,1 W / m 2 . O carbono negro permanece na atmosfera por apenas alguns dias a semanas, enquanto outros gases de efeito estufa potentes têm estilos de vida mais longos, por exemplo, dióxido de carbono ( CO
2
) tem uma vida útil atmosférica de mais de 100 anos. O IPCC e outros pesquisadores do clima postularam que reduzir o carbono negro é uma das maneiras mais fáceis de desacelerar o aquecimento global de curto prazo.

O termo carbono negro também é usado em ciências do solo e geologia, referindo-se tanto ao carbono negro atmosférico depositado quanto ao carbono negro diretamente incorporado de incêndios em vegetação. Especialmente nos trópicos, o carbono negro nos solos contribui significativamente para a fertilidade, pois é capaz de absorver nutrientes importantes para as plantas.

Visão geral

Faraday reconheceu que a fuligem era composta de carbono e que era produzida pela combustão incompleta de combustíveis contendo carbono. O termo carbono negro foi cunhado por Tihomir Novakov , referido como "o padrinho dos estudos do carbono negro" por James Hansen , na década de 1970. Fumaça ou fuligem foi o primeiro poluente a ser reconhecido como tendo impacto ambiental significativo , mas um dos últimos a ser estudado pela comunidade de pesquisa atmosférica contemporânea.

A fuligem é composta por uma mistura complexa de compostos orgânicos que são fracamente absorventes na região espectral visível e um componente preto altamente absorvente que é chamado de “elementar”, “grafítico” ou “carbono negro”. O termo carbono elementar tem sido usado em conjunto com determinações térmicas e químicas úmidas e o termo carbono grafítico sugere a presença de estruturas microcristalinas semelhantes ao grafite na fuligem, conforme evidenciado por Espectroscopia Raman . O termo carbono negro é usado para sugerir que este componente de fuligem é o principal responsável pela absorção da luz visível. O termo carbono negro é às vezes usado como sinônimo tanto do componente elementar quanto do grafítico da fuligem. Ele pode ser medido usando diferentes tipos de dispositivos com base na absorção ou dispersão de um feixe de luz ou derivado de medições de ruído.

Tentativas iniciais de mitigação

Os efeitos desastrosos da poluição do carvão sobre a saúde humana e a mortalidade no início dos anos 1950 em Londres levaram à Lei do Ar Limpo do Reino Unido de 1956 . Esse ato levou a reduções dramáticas das concentrações de fuligem no Reino Unido, seguidas por reduções semelhantes em cidades americanas como Pittsburgh e St. Louis. Essas reduções foram alcançadas em grande parte pela diminuição do uso de carvão macio para aquecimento doméstico, mudando para carvão “sem fumaça” ou outras formas de combustível, como óleo combustível e gás natural. A redução constante da poluição por fumaça nas cidades industriais da Europa e dos Estados Unidos causou uma mudança na ênfase da pesquisa para longe das emissões de fuligem e a quase completa negligência do carbono negro como um constituinte significativo de aerossol, pelo menos nos Estados Unidos.

Na década de 1970, no entanto, uma série de estudos mudou substancialmente esse quadro e demonstrou que o carbono negro, bem como os componentes da fuligem orgânica, continuaram a ser um grande componente dos aerossóis urbanos nos Estados Unidos e na Europa, o que levou a melhores controles dessas emissões. Nas regiões menos desenvolvidas do mundo, onde havia controle limitado ou nenhum controle sobre as emissões de fuligem, a qualidade do ar continuou a se degradar à medida que a população aumentava. Em geral, só se percebeu muitos anos depois que, do ponto de vista dos efeitos globais, as emissões dessas regiões eram extremamente importantes.

Influência na atmosfera da Terra

A maioria dos desenvolvimentos mencionados acima está relacionada à qualidade do ar em ambientes urbanos. As primeiras indicações do papel do carbono negro em um contexto mais amplo e global vieram de estudos do fenômeno Arctic Haze. O carbono negro foi identificado nos aerossóis de névoa do Ártico e na neve do Ártico.

Em geral, as partículas de aerossol podem afetar o equilíbrio de radiação levando a um efeito de resfriamento ou aquecimento com a magnitude e o sinal da mudança de temperatura amplamente dependente das propriedades ópticas do aerossol, das concentrações do aerossol e do albedo da superfície subjacente. Um aerossol puramente dispersivo refletirá a energia que normalmente seria absorvida pelo sistema terra-atmosfera de volta ao espaço e leva a um efeito de resfriamento. À medida que se adiciona um componente absorvente ao aerossol, isso pode levar a um aquecimento do sistema terra-atmosfera se a refletividade da superfície subjacente for suficientemente alta.

Os primeiros estudos dos efeitos dos aerossóis na transferência radiativa atmosférica em uma escala global assumiram um aerossol de dispersão dominante com apenas um pequeno componente de absorção, uma vez que isso parece ser uma boa representação dos aerossóis de ocorrência natural. No entanto, como discutido acima, os aerossóis urbanos têm um grande componente de carbono negro e se essas partículas podem ser transportadas em uma escala global, então seria de esperar um efeito de aquecimento sobre superfícies com um alto albedo de superfície como neve ou gelo. Além disso, se essas partículas forem depositadas na neve, um efeito de aquecimento adicional ocorreria devido à redução do albedo da superfície.

Medindo e modelando a distribuição espacial

Os níveis de carbono negro são geralmente determinados com base na modificação das propriedades ópticas de um filtro de fibra por partículas depositadas. É medida a transmitância do filtro, a refletância do filtro ou uma combinação de transmitância e refletância. Os etalômetros são dispositivos usados ​​com freqüência que detectam opticamente a mudança na absorção da luz transmitida através de um tíquete de filtro. O programa de Verificação de Tecnologia Ambiental da USEPA avaliou o Aetalômetro e também o analisador ótico-térmico do Laboratório Sunset. Um fotômetro de absorção multiangular leva em consideração a luz transmitida e refletida. Métodos alternativos baseiam-se em medições de profundidade óptica baseadas em satélite para grandes áreas ou, mais recentemente, em análise de ruído espectral para concentrações muito locais.

No final da década de 1970 e no início da década de 1980, concentrações surpreendentemente grandes de carbono negro foram observadas em todo o Ártico ocidental. Estudos de modelagem indicaram que eles podem levar ao aquecimento sobre o gelo polar. Uma das maiores incertezas na modelagem dos efeitos da névoa ártica no balanço de radiação solar era o conhecimento limitado das distribuições verticais de carbono negro.

Durante 1983 e 1984, como parte do programa NOAA AGASP, as primeiras medições de tais distribuições na atmosfera ártica foram obtidas com um aetalômetro que tinha a capacidade de medir o carbono negro em tempo real. Essas medições mostraram concentrações substanciais de carbono negro encontradas em toda a troposfera ártica ocidental, incluindo o Pólo Norte. Os perfis verticais mostraram uma estrutura fortemente em camadas ou uma distribuição quase uniforme de até oito quilômetros com concentrações dentro de camadas tão grandes quanto aquelas encontradas no nível do solo em áreas urbanas típicas de latitude média nos Estados Unidos. As profundidades ópticas de absorção associadas a esses perfis verticais eram grandes, conforme evidenciado por um perfil vertical sobre o ártico norueguês, onde profundidades ópticas de absorção de 0,023 a 0,052 foram calculadas, respectivamente, para misturas externas e internas de carbono negro com os outros componentes do aerossol.

As profundidades ópticas dessas magnitudes levam a uma mudança substancial no equilíbrio da radiação solar sobre a superfície altamente refletora da neve do Ártico durante o período de março-abril dessas medições modelaram o aerossol do Ártico para uma profundidade óptica de absorção de 0,021 (que está perto da média de uma mistura interna e externa para os voos da AGASP), em condições sem nuvens. Esses efeitos de aquecimento foram vistos na época como potencialmente uma das principais causas das tendências de aquecimento do Ártico, conforme descrito em Arquivos do Departamento de Energia, Realizações de Ciências de Energia Básica.

Presença em solos

Até 60% do carbono orgânico total armazenado nos solos é proveniente de carbono negro. Especialmente para solos tropicais, o carbono negro serve como reservatório de nutrientes. Experimentos mostraram que solos sem grandes quantidades de carbono negro são significativamente menos férteis do que solos que contêm carbono negro. Um exemplo desse aumento da fertilidade do solo são os solos de Terra preta da Amazônia central, que são presumivelmente feitos pelo homem por populações nativas pré-colombianas. Os solos de Terra Preta têm em média três vezes mais matéria orgânica do solo (MOS), níveis mais altos de nutrientes e uma melhor capacidade de retenção de nutrientes do que os solos inférteis circundantes. Nesse contexto, a prática agrícola de corte e queima usada nas regiões tropicais não só aumenta a produtividade ao liberar nutrientes da vegetação queimada, mas também ao adicionar carbono negro ao solo. No entanto, para uma gestão sustentável, uma prática de corte e carvão seria melhor para evitar altas emissões de CO 2 e carbono negro volátil. Além disso, os efeitos positivos deste tipo de agricultura são neutralizados se usados ​​em grandes manchas, de forma que a erosão do solo não seja evitada pela vegetação.

Presença nas águas

O carbono negro solúvel e coloidal retido na paisagem por incêndios florestais pode chegar às águas subterrâneas. Em uma escala global, o fluxo de carbono negro em corpos de água doce e salgada se aproxima da taxa de produção de carbono negro em um incêndio florestal.

Fontes de emissão

Por região

Os países desenvolvidos já foram a principal fonte de emissões de carbono negro, mas isso começou a mudar na década de 1950 com a adoção de tecnologias de controle de poluição nesses países. Enquanto os Estados Unidos emitem cerca de 21% do CO 2 mundial , eles emitem 6,1% da fuligem mundial. A União Europeia e os Estados Unidos podem reduzir ainda mais suas emissões de carbono negro, acelerando a implementação de regulamentos de carbono negro que atualmente entram em vigor em 2015 ou 2020 e apoiando a adoção de regulamentos pendentes da Organização Marítima Internacional (IMO). Os regulamentos existentes também podem ser expandidos para aumentar o uso de diesel limpo e tecnologias de carvão limpo e para desenvolver tecnologias de segunda geração.

Hoje, a maioria das emissões de carbono negro é proveniente de países em desenvolvimento e espera-se que essa tendência aumente. As maiores fontes de carbono negro são Ásia, América Latina e África. A China e a Índia juntas respondem por 25-35% das emissões globais de carbono negro. As emissões de carbono negro da China dobraram de 2000 a 2006. As tecnologias existentes e bem testadas usadas pelos países desenvolvidos, como o diesel limpo e o carvão limpo, poderiam ser transferidas para os países em desenvolvimento para reduzir suas emissões.

As emissões de carbono negro são mais altas dentro e ao redor das principais regiões de origem. Isso resulta em hotspots regionais de aquecimento solar atmosférico devido ao carbono negro. As áreas de ponto de acesso incluem:

  • as planícies indo-gangéticas da Índia
  • China oriental
  • a maior parte do Sudeste Asiático e Indonésia
  • regiões equatoriais da África
  • México e América Central
  • a maior parte do Brasil e do Peru na América do Sul.

Aproximadamente três bilhões de pessoas vivem nesses hotspots.

Por fonte

Carbono negro em uma panela. Resultado de um cozimento com biocombustível.

Aproximadamente 20% do carbono negro é emitido pela queima de biocombustíveis, 40% por combustíveis fósseis e 40% pela queima de biomassa a céu aberto. Estimativas semelhantes das fontes de emissões de carbono negro são as seguintes:

  • 42% queima de biomassa a céu aberto (queima de floresta e savana)
  • 18% de biomassa residencial queimada com tecnologias tradicionais
  • 14% motores diesel para transporte
  • 10% motores diesel para uso industrial
  • 10% de processos industriais e geração de energia, geralmente de caldeiras menores
  • 6% Carvão residencial queimado com tecnologias tradicionais

As fontes de carbono negro variam por região. Por exemplo, a maioria das emissões de fuligem no Sul da Ásia é devido ao cozimento de biomassa, enquanto no Leste Asiático, a combustão do carvão para usos residenciais e industriais desempenha um papel mais importante. Na Europa Ocidental, o tráfego parece ser a fonte mais importante, uma vez que as altas concentrações coincidem com a proximidade de estradas principais ou a participação do tráfego (motorizado).

Combustível fóssil e fuligem de biomassa têm quantidades significativamente maiores de carbono negro do que aerossóis e partículas de resfriamento do clima, tornando as reduções dessas fontes estratégias de mitigação particularmente poderosas. Por exemplo, as emissões dos motores a diesel e das embarcações marítimas contêm níveis mais elevados de carbono negro em comparação com outras fontes. A regulamentação das emissões de carbono negro de motores a diesel e embarcações marítimas, portanto, apresenta uma oportunidade significativa para reduzir o impacto do carbono negro no aquecimento global.

A queima de biomassa emite maiores quantidades de aerossóis e material particulado que resfriam o clima do que o carbono negro, resultando em um resfriamento de curto prazo. No entanto, a longo prazo, a queima de biomassa pode causar um aquecimento líquido quando as emissões de CO 2 e o desmatamento são considerados. Reduzir as emissões de biomassa, portanto, reduziria o aquecimento global no longo prazo e forneceria co-benefícios de redução da poluição do ar, emissões de CO 2 e desmatamento. Estima-se que, ao mudar para corte e carvão da agricultura de corte e queima , que transforma biomassa em cinzas usando fogueiras que liberam carbono negro e GEEs, 12% das emissões de carbono antropogênico causadas por mudanças no uso da terra poderiam ser reduzidas anualmente, que é aproximadamente 0,66 Gt CO 2 -eq. por ano, ou 2% de todas as emissões globais anuais de CO 2 -eq.

Impactos

O carbono negro é uma forma de material particulado ultrafino que, quando liberado no ar, causa mortalidade e invalidez humana prematura. Além disso, o carbono negro atmosférico altera o equilíbrio da energia radiativa do sistema climático de uma forma que aumenta as temperaturas do ar e da superfície, causando uma variedade de impactos ambientais prejudiciais aos humanos, à agricultura e aos ecossistemas vegetais e animais.

Impactos na saúde pública

As partículas são os mais nocivos para a saúde pública de todos os poluentes atmosféricos da Europa. O particulado de carbono negro contém substâncias cancerígenas muito finas e, portanto, é particularmente prejudicial.

Estima-se que de 640.000 a 4.900.000 mortes prematuras de humanos poderiam ser evitadas todos os anos, utilizando as medidas de mitigação disponíveis para reduzir o carbono negro na atmosfera.

Os seres humanos são expostos ao carbono negro por inalação de ar nas imediações de fontes locais. Fontes internas importantes incluem velas e queima de biomassa, enquanto o tráfego e, ocasionalmente, os incêndios florestais são as principais fontes externas de exposição ao carbono negro. As concentrações de carbono negro diminuem drasticamente com o aumento da distância das fontes (de tráfego), o que o torna um componente atípico do material particulado . Isso torna difícil estimar a exposição das populações. Para o material particulado, os estudos epidemiológicos tradicionalmente se baseiam em medições em um único local fixo ou em concentrações residenciais inferidas. Estudos recentes mostraram que tanto carbono negro é inalado no trânsito e em outros locais quanto no endereço residencial. Apesar do fato de que uma grande parte da exposição ocorre como picos curtos de altas concentrações, não está claro como definir os picos e determinar sua frequência e impacto na saúde. Altas concentrações de pico são encontradas durante a condução de automóveis. Altas concentrações de carbono negro nos veículos foram associadas à direção durante os horários de pico, em rodovias e em tráfego intenso.

Mesmo concentrações de exposição relativamente baixas de Black Carbon têm um efeito direto na função pulmonar de adultos e um efeito inflamatório no sistema respiratório de crianças. Um estudo recente não encontrou nenhum efeito do Black Carbon na pressão arterial quando combinado com a atividade física . Os benefícios para a saúde pública da redução da quantidade de fuligem e outras partículas são reconhecidos há anos. No entanto, as altas concentrações persistem nas áreas de industrialização da Ásia e nas áreas urbanas do Ocidente, como Chicago . A OMS estima que a poluição do ar causa quase dois milhões de mortes prematuras por ano. Ao reduzir o carbono negro, um componente primário das partículas finas, os riscos à saúde decorrentes da poluição do ar diminuirão. Na verdade, as preocupações com a saúde pública levaram a muitos esforços para reduzir essas emissões, por exemplo, de veículos a diesel e fogões de cozinha.

Impactos climáticos

Efeito direto As partículas de carbono negro absorvem diretamente a luz solar e reduzem o albedo planetário quando suspensas na atmosfera.

Efeito semi-direto O carbono negro absorve a radiação solar de entrada, perturba a estrutura de temperatura da atmosfera e influencia a cobertura de nuvens. Eles podem aumentar ou diminuir a cobertura de nuvens em diferentes condições.

Efeito de albedo de neve / gelo Quando depositadas em superfícies de alto albedo, como gelo e neve, as partículas de carbono negro reduzem o albedo total da superfície disponível para refletir a energia solar de volta ao espaço. Uma pequena redução inicial do albedo da neve pode ter um grande forçamento devido a um feedback positivo: A redução do albedo da neve aumentaria a temperatura da superfície. O aumento da temperatura da superfície diminuiria a cobertura de neve e diminuiria ainda mais o albedo da superfície.

Efeito indireto O carbono negro também pode causar indiretamente mudanças na absorção ou reflexão da radiação solar por meio de mudanças nas propriedades e no comportamento das nuvens. A pesquisa programada para publicação em 2013 mostra que o carbono negro desempenha um papel atrás apenas do dióxido de carbono nas mudanças climáticas. Os efeitos são complexos, resultantes de uma variedade de fatores, mas devido à curta vida do carbono negro na atmosfera, cerca de uma semana em comparação com o dióxido de carbono que durou séculos, o controle do carbono negro oferece possíveis oportunidades para desacelerar, ou mesmo reverter, das Alterações Climáticas.

Forçamento radiativo

As estimativas do forçamento radiativo direto médio global do carbono negro variam da estimativa do IPCC de + 0,34 watts por metro quadrado (W / m 2 ) ± 0,25, a uma estimativa mais recente de V. Ramanathan e G. Carmichael de 0,9 W / m 2 .

O IPCC também estimou a média global do efeito do albedo da neve do carbono negro em +0,1 ± 0,1 W / m 2 .

Com base na estimativa do IPCC, seria razoável concluir que os efeitos diretos e indiretos combinados do albedo da neve para o carbono negro o classificam como o terceiro maior contribuinte para o forçamento radiativo positivo médio global desde o período pré-industrial. Em comparação, a estimativa de forçante radiativa direta mais recente por Ramanathan e Carmichael levaria alguém a concluir que o carbono negro contribuiu com a segunda maior forçante radiativa globalmente calculada depois do dióxido de carbono (CO 2 ), e que a forçante radiativa de carbono negro é "tão tanto quanto 55% da forçante de CO 2 e é maior do que a forçante devido aos outros gases de efeito estufa (GEEs), como CH 4 , CFCs, N 2 O ou ozônio troposférico. ”

Tabela 1: Estimativas de Forçamento Radiativo de Carbono Negro, por Efeito

Fonte Efeito direto Efeito Semi-Direto Efeito de nuvens sujas Efeito de neve / gelo albedo Total
IPCC (2007) 0,34 ± 0,25 - - 0,1 ± 0,1 0,44 ± 0,35
Jacobson (2001, 2004 e 2006) 0,55 - 0,03 0,06 0,64
Hansen (2001, 2002, 2003, 2005 e 2007) 0,2 - 0,6 0,3 ± 0,3 0,1 ± 0,05 0,2 ± 0,1

0,8 ± 0,4 (2001)
1,0 ± 0,5 (2002)
»0,7 ± 0,2 (2003)
0,8 (2005)

Hansen e Nazarenko (2004) - - - ~ 0.3 globalmente


1.0 ártico

-
Ramanathan (2007) 0.9 - - 0,1 a 0,3 1,0 a 1,2

Tabela 2: Forças climáticas estimadas (W / m 2 )

Componente IPCC (2007) Hansen, et al. (2005)
CO 2 1,66 1,50
AC 0,05-0,55 0,8
CH 4 0,48 0,55
Ozônio troposférico 0,35 0,40
Halocarbonos 0,34 0,30
N 2 O 0,16 0,15

Efeitos no gelo ártico e nas geleiras do Himalaia

De acordo com o IPCC , “a presença de carbono negro sobre superfícies altamente reflexivas, como neve e gelo, ou nuvens, pode causar um forçamento radiativo positivo significativo”. O IPCC também observa que as emissões da queima de biomassa , que geralmente têm uma forçante negativa, têm uma forçante positiva sobre campos de neve em áreas como o Himalaia. Um estudo de 2013 quantificou que as chamas de gás contribuíram com mais de 40% do carbono negro depositado no Ártico.

De acordo com Charles Zender, o carbono negro é um contribuinte significativo para o derretimento do gelo ártico, e reduzir essas emissões pode ser “a forma mais eficiente de mitigar o aquecimento do Ártico que conhecemos”. A “forçante climática devido à mudança de albedo de neve / gelo é da ordem de 1,0 W / m 2 em áreas de latitude média e alta no Hemisfério Norte e sobre o Oceano Ártico”. O “efeito da fuligem no albedo da neve pode ser responsável por um quarto do aquecimento global observado”. “A deposição de fuligem aumenta o derretimento da superfície das massas de gelo, e a água do derretimento estimula vários processos de feedback radiativo e dinâmico que aceleram a desintegração do gelo”, de acordo com os cientistas da NASA James Hansen e Larissa Nazarenko. Como resultado desse processo de feedback, "BC na neve aquece o planeta cerca de três vezes mais do que uma forçante igual de CO 2. " Quando as concentrações de carbono negro no Ártico aumentam durante o inverno e a primavera devido ao Arctic Haze , as temperaturas da superfície aumentam 0,5 ° C. As emissões de carbono negro também contribuem significativamente para o derretimento do gelo ártico, o que é crítico porque “nada no clima é mais apropriadamente descrito como um 'ponto de inflexão' do que o limite de 0 ° C que separa a água congelada da água líquida - a neve brilhante e reflexiva e o gelo do oceano escuro e absorvente de calor. ”

As emissões de carbono negro do norte da Eurásia, América do Norte e Ásia têm o maior impacto absoluto no aquecimento do Ártico. No entanto, as emissões de carbono negro que realmente ocorrem dentro do Ártico têm um impacto desproporcionalmente maior por partícula no aquecimento do Ártico do que as emissões originadas em outros lugares. Conforme o gelo ártico derrete e a atividade de navegação aumenta, as emissões originadas no Ártico devem aumentar.

Em algumas regiões, como o Himalaia, o impacto do carbono negro no derretimento da neve acumulada e das geleiras pode ser igual ao do CO 2 . O ar mais quente resultante da presença de carbono negro no sul e no leste da Ásia ao longo do Himalaia contribui para um aquecimento de aproximadamente 0,6 ° C. Uma "análise das tendências de temperatura no lado tibetano do Himalaia revela um aquecimento superior a 1 ° C." Uma amostra de aerossol de verão em uma geleira do Monte Everest (Qomolangma) em 2003 mostrou que o sulfato induzido industrialmente do sul da Ásia pode cruzar o Himalaia altamente elevado. Isso indica que o BC no sul da Ásia também pode ter o mesmo modo de transporte. E esse tipo de sinal pode ter sido detectado em um local de monitoramento de carbono negro no interior do Tibete. Amostragem e medição da neve sugeriram que o carbono negro depositado em algumas geleiras do Himalaia pode reduzir o albedo da superfície em 0,01-0,02. O registro de carbono negro com base em um núcleo de gelo raso perfurado na geleira de East Rongbuk mostrou uma tendência de aumento dramático das concentrações de carbono negro na estratigrafia de gelo desde a década de 1990, e o forçamento radiativo médio simulado causado pelo carbono negro foi de quase 2 W / m 2 em 2002 Essa grande tendência de aquecimento é o fator causal proposto para o recuo acelerado das geleiras do Himalaia, que ameaça o abastecimento de água potável e a segurança alimentar na China e na Índia. Uma tendência geral de escurecimento nas geleiras do meio do Himalaia revelada por dados MODIS desde 2000 pode ser parcialmente atribuída ao carbono negro e impurezas que absorvem luz como poeira na primavera, que mais tarde foi estendida a toda a pesquisa das geleiras Hindu Kush-Kararoram-Himalaia que encontrou um tendência de escurecimento generalizada de -0,001 ano -1 durante o período de 2000-2011. A diminuição mais rápida do albedo (mais negativa do que -0,0015 ano -1 ) ocorreu nas altitudes acima de 5.500 m acima do nível do mar.

Aquecimento global

Em seu relatório de 2007, o IPCC estimou pela primeira vez o forçamento radiativo direto de carbono negro das emissões de combustíveis fósseis em + 0,2 W / m 2 , e o forçamento radiativo de carbono negro por meio de seu efeito no albedo de superfície de neve e gelo em um adicional de + 0,1 W / m 2 . Estudos mais recentes e testemunhos públicos de muitos dos mesmos cientistas citados no relatório do IPCC estimam que as emissões de carbono negro são o segundo maior contribuinte para o aquecimento global depois das emissões de dióxido de carbono, e que reduzir essas emissões pode ser a estratégia mais rápida para desacelerar o clima mudança.

Desde 1950, muitos países reduziram significativamente as emissões de carbono negro, especialmente de fontes de combustível fóssil, principalmente para melhorar a saúde pública com a melhoria da qualidade do ar, e “existe tecnologia para uma redução drástica do BC relacionado aos combustíveis fósseis” em todo o mundo.

Dada a vida relativamente curta do carbono negro, a redução das emissões de carbono negro reduziria o aquecimento em semanas. Como o carbono negro permanece na atmosfera apenas por algumas semanas, reduzir as emissões de carbono negro pode ser o meio mais rápido de desacelerar as mudanças climáticas no curto prazo. O controle do carbono negro, particularmente de fontes de combustível fóssil e biocombustível, é muito provável que seja o método mais rápido de desacelerar o aquecimento global no futuro imediato, e grandes cortes nas emissões de carbono negro podem desacelerar os efeitos da mudança climática por uma década ou duas . A redução das emissões de carbono negro pode ajudar a evitar que o sistema climático passe dos pontos de inflexão para mudanças climáticas abruptas , incluindo um aumento significativo do nível do mar devido ao derretimento das camadas de gelo da Groenlândia e / ou da Antártica.

“As emissões de carbono negro são a segunda maior contribuição para o aquecimento global atual, depois das emissões de dióxido de carbono”. Cálculo da forçante climática combinada do carbono negro em 1,0-1,2 W / m 2 , que “é tanto quanto 55% da forçante de CO 2 e é maior do que a forçante devido a outros [GEEs], como CH 4 , CFCs, N 2 O ou ozônio troposférico. ” Outros cientistas estimam a magnitude total do forçamento do carbono negro entre + 0,2 e 1,1 W / m 2, com intervalos variados devido às incertezas. (Ver Tabela 1.) Isso se compara com as estimativas de forçantes climáticos do IPCC de 1,66 W / m 2 para CO 2 e 0,48 W / m 2 para CH 4 . (Ver Tabela 2.) Além disso, o forçamento do carbono negro é duas a três vezes mais eficaz no aumento das temperaturas no Hemisfério Norte e no Ártico do que os valores forçantes equivalentes de CO 2 .

Jacobson calcula que a redução das partículas de combustível fóssil e de fuligem do biocombustível eliminaria cerca de 40% do aquecimento global líquido observado. (Veja a Figura 1.) Além do carbono negro, o combustível fóssil e a fuligem do biocombustível contêm aerossóis e partículas que resfriam o planeta refletindo a radiação do Sol para longe da Terra. Quando os aerossóis e o material particulado são contabilizados, o combustível fóssil e a fuligem do biocombustível aumentam as temperaturas em cerca de 0,35 ° C.

Estima-se que o carbono negro sozinho tenha um Potencial de Aquecimento Global (GWP) de 4.470 anos e um GWP de 100 anos de 1.055–2.240. A fuligem de combustível fóssil, como resultado da mistura com aerossóis de resfriamento e material particulado, tem um PAG de 20 anos inferior de 2.530 e um PAG de 100 anos de 840-1.280.

A Avaliação Integrada de Carbono Negro e Ozônio Troposférico publicada em 2011 pelo Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente e Organização Meteorológica Mundial calcula que cortar o carbono negro, junto com o ozônio troposférico e seu precursor, o metano, pode reduzir a taxa de aquecimento global pela metade e a taxa de aquecimento no Ártico em dois terços, em combinação com cortes de CO 2 . Ao reduzir o “pico de aquecimento”, esses cortes podem manter o aumento da temperatura global atual abaixo de 1,5 ˚C por 30 anos e abaixo de 2 ˚C por 60 anos, em combinação com cortes de CO 2 . (FN: UNEP-WMO 2011.) Ver Tabela 1, na página 9 do relatório UNEP-WMO .

A redução de CO 2 , bem como SLCFs, poderia manter o aumento da temperatura global abaixo de 1,5 ˚C até 2030 e abaixo de 2 ˚C até 2070, assumindo que o CO 2 também seja reduzido. Veja o gráfico na página 12 do relatório UNEP-WMO .

Tecnologias de controle

Ramanathan observa que “as nações desenvolvidas reduziram suas emissões de carbono negro de fontes de combustível fóssil por um fator de 5 ou mais desde 1950. Assim, existe a tecnologia para uma redução drástica do carbono negro relacionado aos combustíveis fósseis”.

Jacobson acredita que “dadas as condições e incentivos adequados, as tecnologias poluentes [fuligem] podem ser rapidamente eliminadas. Em algumas aplicações de pequena escala (como cozinha doméstica em países em desenvolvimento), saúde e conveniência conduzirão essa transição quando alternativas acessíveis e confiáveis ​​estiverem disponíveis. Para outras fontes, como veículos ou caldeiras de carvão, abordagens regulatórias podem ser necessárias para impulsionar a transição para a tecnologia existente ou o desenvolvimento de nova tecnologia. ”

Hansen afirma que “a tecnologia está ao nosso alcance que pode reduzir muito a fuligem, restaurando o albedo da neve a valores próximos aos primitivos, ao mesmo tempo que tem vários outros benefícios para o clima, saúde humana, produtividade agrícola e estética ambiental. Já as emissões de fuligem do carvão estão diminuindo em muitas regiões com a transição de pequenos usuários para usinas com purificadores. ”

Jacobson sugere a conversão de “veículos [EUA] de combustível fóssil em veículos elétricos, híbridos plug-in ou de célula de combustível de hidrogênio, onde a eletricidade ou hidrogênio é produzido por uma fonte de energia renovável, como eólica, solar, geotérmica, hidrelétrica, das ondas , ou força das marés. Tal conversão eliminaria 160 Gg / ano (24%) da fuligem de combustível fóssil dos EUA (ou 1,5% do mundo) e cerca de 26% do dióxido de carbono dos EUA (ou 5,5% do mundo). ” De acordo com as estimativas de Jacobson, esta proposta reduziria as emissões de fuligem e CO 2 em 1,63 GtCO 2 –eq. por ano. Ele observa, no entanto, “que a eliminação de hidrocarbonetos e óxidos de nitrogênio também eliminaria algumas partículas de resfriamento, reduzindo o benefício líquido em no máximo pela metade, mas melhorando a saúde humana”, uma redução substancial para uma política em um país.

Para veículos a diesel, em particular, existem várias tecnologias eficazes disponíveis. Filtros de partículas de diesel (DPFs) mais novos e mais eficientes , ou armadilhas, podem eliminar mais de 90% das emissões de carbono negro, mas esses dispositivos requerem combustível diesel com teor ultrabaixo de enxofre (ULSD). Para garantir a conformidade com as novas regras de partículas para novos veículos rodoviários e não rodoviários nos EUA, a EPA primeiro exigiu uma mudança em todo o país para ULSD, o que permitiu que DPFs fossem usados ​​em veículos a diesel para atender aos padrões. Por causa das recentes regulamentações da EPA, as emissões de carbono negro dos veículos a diesel devem diminuir cerca de 70 por cento de 2001 a 2020 ”. No geral, “projeta-se que as emissões de BC nos Estados Unidos diminuam em 42 por cento de 2001 a 2020. Quando toda a frota estiver sujeita a essas regras, a EPA estima que mais de 239.000 toneladas de material particulado serão reduzidas anualmente. Fora dos EUA, os catalisadores de oxidação de diesel estão frequentemente disponíveis e os DPFs estarão disponíveis à medida que o ULSD for mais amplamente comercializado.

Outra tecnologia para reduzir as emissões de carbono negro dos motores a diesel é transferir os combustíveis para gás natural comprimido. Em Nova Delhi , Índia, a suprema corte ordenou a mudança para gás natural comprimido para todos os veículos de transporte público, incluindo ônibus, táxis e riquixás, resultou em um benefício climático, “em grande parte por causa da redução dramática das emissões de carbono negro do ônibus a diesel motores. ” No geral, a troca de combustível para os veículos reduziu as emissões de carbono negro o suficiente para produzir uma redução líquida de 10 por cento em CO 2 eq., E talvez até 30 por cento. Os principais ganhos foram com os motores de ônibus a diesel, cujo CO 2 -eq. as emissões foram reduzidas em 20%. De acordo com um estudo que examina essas reduções de emissões, "há um potencial significativo para reduções de emissões por meio do Desenvolvimento Limpo [UNFCCC] para esses projetos de troca de combustível".

Também estão em desenvolvimento tecnologias para reduzir algumas das 133.000 toneladas métricas de partículas emitidas a cada ano pelos navios. Os navios oceânicos usam motores a diesel, e filtros de partículas semelhantes aos usados ​​para veículos terrestres agora estão sendo testados neles. Tal como acontece com os filtros de particulados atuais, eles também exigiriam que os navios usassem ULSD, mas se reduções de emissões comparáveis ​​forem alcançáveis, até 120.000 toneladas métricas de emissões de particulados poderiam ser eliminadas a cada ano do transporte marítimo internacional. Ou seja, se os filtros de partículas pudessem ser mostrados para reduzir as emissões de carbono negro em 90 por cento dos navios, como fazem para os veículos terrestres, 120.000 toneladas métricas das 133.000 toneladas métricas atuais de emissões seriam evitadas. Outros esforços podem reduzir a quantidade de emissões de carbono negro dos navios simplesmente diminuindo a quantidade de combustível que os navios usam. Viajando em velocidades mais lentas ou usando eletricidade do lado da costa quando no porto, em vez de operar os motores a diesel do navio para energia elétrica, os navios podem economizar combustível e reduzir as emissões.

Reynolds e Kandlikar estimam que a mudança para o gás natural comprimido para transporte público em Nova Delhi, ordenada pela Suprema Corte, reduziu as emissões climáticas em 10 a 30%.

Ramanathan estima que “fornecer fogões alternativos com eficiência energética e sem fumaça e a introdução de tecnologia de transferência para reduzir as emissões de fuligem da combustão do carvão em pequenas indústrias podem ter grandes impactos no forçamento radiativo devido à fuligem”. Especificamente, o impacto da substituição do cozimento com biocombustível por fogões sem carbono preto (solar, bio e gás natural) no Sul e no Leste da Ásia é dramático: no Sul da Ásia, uma redução de 70 a 80% no aquecimento com carbono preto; e no Leste Asiático, uma redução de 20 a 40%. ”

Biodegradação

Estruturas de anéis aromáticos condensados ​​indicam degradação de carbono negro no solo. Fungos saprofíticos estão sendo pesquisados ​​por seu papel potencial na degradação do carbono negro.

Opções de política

Muitos países têm leis nacionais para regular as emissões de carbono negro, incluindo leis que tratam das emissões de partículas. Alguns exemplos incluem:

  • banir ou regulamentar o corte e queima de florestas e savanas;
  • exigir energia / eletrificação em terra de navios no porto, regulamentar a marcha lenta em terminais e padrões obrigatórios de combustível para navios que buscam atracar no porto;
  • exigir testes regulares de emissões de veículos, retirada ou retrofit (por exemplo, adição de armadilhas de partículas), incluindo penalidades por não cumprimento dos padrões de emissões de qualidade do ar e penalidades aumentadas para veículos "superemissores" na estrada;
  • proibição ou regulamentação da venda de certos combustíveis e / ou exigência do uso de combustíveis mais limpos para determinados usos;
  • limitar o uso de chaminés e outras formas de queima de biomassa em áreas urbanas e não urbanas;
  • exigir licenças para operar instalações industriais, de geração de energia e refino de petróleo e renovação e / ou modificação periódica de licenças de equipamentos; e
  • exigindo tecnologia de filtragem e combustão de alta temperatura (por exemplo, carvão supercrítico ) para usinas de geração de energia existentes e regulando as emissões anuais das usinas de geração de energia.

A Rede Internacional para Cumprimento e Fiscalização Ambiental emitiu um Alerta de Conformidade Climática sobre Carbono Negro em 2008, que citou a redução do negro de fumo como uma forma econômica de reduzir uma das principais causas do aquecimento global.

Veja também

Referências

Leitura adicional

  • Stone, RS; Sharma, S .; Herber, A .; Eleftheriadis, K .; Nelson, DW (10 de junho de 2014). "Uma caracterização dos aerossóis árticos com base na profundidade ótica do aerossol e nas medições do carbono negro". Elementa: Ciência do Antropoceno . 2 : 000027. doi : 10.12952 / journal.elementa.000027 .

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