Ozônio troposférico com referência à proteção da vegetação no Estado de São Paulo: 2018-2022 | Tropospheric ozone in relation to vegetation protection in the São Paulo State: 2018-2022

Ozone (O₃) is an oxidizing and reactive gas naturally produced in the Earth's atmosphere, found in both the stratosphere and the troposphere. Tropospheric ozone is regarded as an atmospheric pollutant, causing harmful effects on human health and the environment. Given the sensitivity of plants to this pollutant, metrics aimed at protecting agriculture and forests are employed to minimize economic losses caused by ozone's oxidative reactions. This research aimed to evaluate tropospheric ozone concentrations between 2018 and 2022 at air quality monitoring stations in the State of São Paulo using the AOT40 metric, based on reference values for agricultural productivity protection (6000 µg/m³·h) and forest protection (9800 µg/m³·h). To achieve this goal, data imputation was conducted using Kalman Smoothing and Seasonal Decomposition techniques to fill gaps in the AOT40 time series, enabling non-hierarchical clustering analysis using the k-means algorithm, leading to the formation of distinct clusters that were evaluated against the reference values for vegetation protection. Five clusters were identified, each with an average quarterly AOT40 value of 7,068.91 µg/m³·h (Cluster 1), 10,067.60 µg/m³·h (Cluster 2), 3,643.12 µg/m³·h (Cluster 3), 5,534.66 µg/m³·h (Cluster 4), and 2,224.29 µg/m³·h (Cluster 5). As a secondary pollutant, tropospheric ozone depends on various conditions for its formation and dispersion. It was found through the clusters that locational characteristics significantly influence ozone levels. In addition to meteorological conditions, topography, land use and occupation, and vehicular traffic were identified as factors contributing to the clustering of stations into similar groups, highlighting their influence on the AOT40 index. It was observed that some stations, particularly those in the state's interior, exhibited significant increases in the AOT40 index compared to previous assessments, necessitating more detailed monitoring of these areas. Of the 50 stations evaluated, 47 recorded quarters where reference values for vegetation protection were exceeded, indicating vegetation exposure to tropospheric ozone. The highest quarterly AOT40 values were observed during the transition from winter to spring, coinciding with the growth and reproduction phase of vegetation, when a considerable emission of biogenic volatile organic compounds occurs. Additionally, this period coincides with the planting phase of some crops and the occurrence of wildfires in the interior of the State of São Paulo. The high values observed at various stations suggest that ozone exposure may pose risks to agricultural productivity, as well as to protected areas such as parks, forests, and conservation areas. Overall, the determination and evaluation of the AOT40 index in comparison with reference values contributed to constructing a panorama of vegetation exposure in the State of São Paulo. Despite the limitations, the AOT40 index has proven useful in identifying areas susceptible to ozone pollution, and the integration of techniques applied in this study paves the way for future research.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior

Dissertação (Mestrado)

O ozônio (O₃) é um gás oxidante e reativo produzido naturalmente na atmosfera da Terra, sendo encontrado tanto na estratosfera quanto na troposfera. O ozônio troposférico é considerado um poluente atmosférico causando efeitos adversos à saúde humana e ao meio ambiente. Devido a sensibilidade das plantas a tal poluente, métricas voltadas à proteção agrícola e florestal são utilizadas visando minimizar as perdas econômicas providas pelas reações oxidativas do ozônio. Essa pesquisa teve como objetivo avaliar as concentrações de ozônio troposférico entre os anos de 2018 e 2022 nas estações da rede de monitoramento da qualidade do ar no Estado de São Paulo por meio da métrica AOT40, tomando como base valores de referência para proteção da produtividade agrícola (6000 µg/m³·h) e proteção florestal (9800 µg/m³·h). Para atingir esse objetivo foi realizada uma imputação de dados pelas técnicas de Suavização de Kalman e Decomposição Sazonal, preenchendo lacunas nas séries temporais de AOT40, possibilitando a realização de uma análise de agrupamentos não-hierárquico pelo algoritmo k-means, levando a formação de clusters distintos que foram avaliados em relação aos valores de referência para proteção da vegetação. Foram formados 5 clusters com valores médios de AOT40 trimestral de 7 068,91 µg/m³‧h (Cluster 1), 10 067,60 µg/m³‧h (Cluster 2), 3 643,12 µg/m³‧h (Cluster 3), 5 534,66 µg/m³‧h (Cluster 4) e 2 224,29 µg/m³‧h (Cluster 5). Como um poluente secundário, o ozônio troposférico depende de várias condições para sua formação e dispersão. Verificou-se, através dos agrupamentos, que as características locacionais exercem uma influência significativa nos níveis de ozônio. Além das condições meteorológicas, a topografia, o uso e ocupação do solo, e o tráfego veicular foram identificados como fatores que contribuíram para o agrupamento das estações em clusters semelhantes, evidenciando sua influência no índice AOT40. Observou-se que algumas estações, especialmente no interior do estado, apresentaram aumentos significativos do índice AOT40 em comparação com avaliações anteriores, exigindo um monitoramento mais detalhado dessas localidades. Das 50 estações avaliadas, 47 registraram trimestres em que os valores de referência para a proteção da vegetação foram ultrapassados, indicando a exposição da vegetação ao ozônio troposférico. Os maiores valores do índice AOT40 trimestral foram observados na transição do inverno para a primavera, coincidindo com a fase de crescimento e reprodução da vegetação, quando ocorre considerável emissão de compostos orgânicos voláteis biogênicos. Além disso, esse período coincide com a fase de plantio de alguns cultivares e com a ocorrência de queimadas no interior do Estado de São Paulo. Os elevados valores observados em diversas estações sugerem que a exposição ao ozônio pode representar riscos à produtividade agrícola, bem como às áreas protegidas, como parques, florestas e áreas de preservação ambiental. De modo geral, a determinação e avaliação do índice AOT40 em comparação com os valores de referência contribuíram para a construção de um panorama da exposição da vegetação no Estado de São Paulo. Apesar das limitações, o índice AOT40 demonstrou ser útil para identificar áreas suscetíveis à poluição por ozônio, e a integração das técnicas aplicadas nesse estudo abre perspectivas para pesquisas futuras.