domingo, 13 de julho de 2014

T84. FIREWORKS, SMOKE AND AIR QUALITY

Inglês
FIREWORKS, SMOKE AND AIR QUALITY by Professor Dudley Shallcross and Tim Harrison from the School of Chemistry, University of Bristol, UK.

Everybody loves seeing a firework display. They are used throughout the world to celebrate all sorts of events from religious festivals to family occasions. Have you ever thought about what happens to the chemical residues after the spectacular shows?

Fireworks are very clever chemical packages designed to burn to give out sparks, colour and smoke. This will of course leave many products of combustion some of which are gases and some are solids. More information about the general chemistry of fireworks can be found here: http://www.scienceinschool.org/repository/docs/issue21_fireworks_bgd.pdf (or in German at http://www.scienceinschool.org/repository/docs/issue21_fireworks_bgd_german.doc).

Firework combustion produces the main gases of carbon dioxide (CO2), nitrogen dioxide (NO2) and sulfur dioxide (SO2). All are linked with aspects of climate change. Carbon dioxide causes heat to be retained in the atmosphere and is therefore a global warming agent. Nitrogen dioxide and sulfur dioxide allow aerosol formation in the atmosphere which can lead to a cooling effect- ‘global dimming’. Both nitrogen dioxide and sulphur dioxide can form acids with moisture and this in turn leads to the problems associated with acid rain.

Scientific measurements linked to celebratory firework displays of elevated levels of NO2 and SO2 were made during and after a Diwali festival in Hisar City, India, in November 1999; in Mainz, Germany, during New Year celebrations in 2004/2005; during the Lantern Festival in Beijing, China, in 2006; and in Milan, Italy, the night after Italy won the football World Cup in 2006 (Drewnick et al., 2006; Ravindra et al. 2003; Vecchi et al., 2008; Wang et al., 2007). The latter event is of course very relevant for Brazil in 2014!

The smoke produced by burning fireworks contains many tiny particles of solid or liquid. These are called ‘particulate matter’ (PM). PMs are categorised according to size usually measured in µm (micrometers, 10 -6 m).) . Table 1 gives the more common size categories.
Table 1: Common categories of size for particulate matter


Firework combustion produces a range of particle sizes but is mainly soot of the smaller particles (e.g. PM2.5), whereas bonfires tend to form larger particles. Fireworks are not the only source of particulate matter. PM is also produced by the construction industry, and there are natural sources such as pollen, sea salt and wind-blown soil.

Increased levels of particles in the air are linked to cardiovascular and respiratory diseases; smaller particles are particularly unhealthy because they can penetrate deeper into the respiratory system. PM also has a significant effect on the climate: soot particles warm the climate, whereas reflecting particles tend to cool it.

In the UK research by groups of school students has shown the level of increase in particulate matter due to the British celebration of Guy Fawkes Night also called bonfire night. This celebrates the discovery and subsequent prevention of a plot to blow up the British Parliament using gun powder thus assassinating King James I and subverting democracy. The explosives were found placed in the cellars of the House of Lords being guarded by Guy (Guido) Fawkes who was discovered in the on 5 November 1605.

As an example of the effect that firework celebrations have on PM we worked with a group of UK school using data that are freely available to anyone. In figure 1, we show PM2.5 and PM10 levels from the centre of Reading, a university town in the south of the UK. Guy Fawkes Night is frequently celebrated on the nearest weekend to 5th November. These data from 05-09 November 2009 show that particle levels peaked on the evening of 7th November (a Saturday). Comparing these data with the all-year average for 2009, we found that the levels on that Saturday were elevated by a factor of up to seven!
Figure 1: PM10 and PM2.5 levels from Reading town centre, UK: levels on 7 November 2009, and the average levels for 2009.
Blue: PM2.5 on 7 November 2009; red: PM10 on 7 November 2009; green: PM2.5 average for 2009, purple: PM10 average for 2009.
(Prepared by the authors and taken from the Science in School article.)


These sort of data are available in many countries and allows anyone to do some real research into atmospheric chemistry. Problems such as the change in concentrations of particulates (or other pollutants) around cities compared with the countryside, coastal versus interior changes, the effect of prevailing winds, the differences due to the seasons or length of daily sunlight are just some of the potential investigations that can be undertaken. What will you investigate?

This work is based on a paper written by the same authors: Harrison T, Shallcross D (2011) Smoke is in the air: how fireworks affect air quality. Science in School 21: 47-51. www.scienceinschool.org/2011/issue21/fireworks.


Português
FOGOS DE ARTIFÍCIO, FUMAÇA E QUALIDADE DO AR por Prof. Dudley Shallcross e Tim Harrison, Faculdade de Química, Universidade de Bristol, Reino Unido
Traduzido por Natanael F. França Rocha, Florianópolis, Brasil

Todo mundo aprecia ver uma queima de fogos. Os fogos de artifício são utilizados no mundo inteiro para celebrar todo tipo de eventos, desde festividades religiosas até ocasiões de família. Você alguma vez imaginou o que acontece com os resíduos químicos após esses incríveis shows pirotécnicos?

Fogos de artifício são pacotes químicos muito inteligentes projetados para queimar e liberar faíscas, cor e fumaça. Certamente sobram muitos produtos de combustão, alguns gases e outros sólidos. Mais informações sobre a química dos fogos de artifício podem ser encontradas em: http://www.scienceinschool.org/repository/docs/issue21_fireworks_bgd.pdf (ou em: http://www.scienceinschool.org/repository/docs/issue21_fireworks_bgd_german.doc).

A combustão de fogos de artifício produz principalmente os gases dióxido de carbono (CO2), dióxido de nitrogênio (NO2) e dióxido de enxofre (SO2). Todos estão relacionados com aspectos da mudança climática. O dióxido de carbono faz com que o calor seja mantido na atmosfera e, conseqüentemente, é um agente do aquecimento global. O dióxido de nitrogênio e o dióxido de enxofre permitem a formação de aerossóis na atmosfera, o que pode levar a um efeito de resfriamento e ‘escurecimento global’. Tanto o dióxido de nitrogênio quanto o dióxido de enxofre podem formar ácidos na presença de umidade e, como resultado, provocar problemas normalmente associados com a chuva ácida.

Medições científicas realizadas durante e depois de shows pirotécnicos mostraram níveis elevados de NO2 e SO2 no festival das luzes de Diwali, na cidade de Hisar, na Índia, em novembro de 1999; em Mainz, na Alemanha, durante as celebrações do Ano Novo em 2004/2005; durante o Festival da Lua, em Pequim, na China, em 2006; e em Milão, Itália, na noite depois que a Itália ganhou a Copa do Mundo em 2006 (Drewnick et al., 2006; Ravindra et al. 2003; Vecchi et al., 2008; Wang et al., 2007). Este último evento é, naturalmente, bastante relevante para Brasil em 2014!

A fumaça produzida pela queima de fogos de artifício contém muitas partículas minúsculas de líquidos ou sólidos, os quais são chamados de ‘materiais particulados’ (MP). Os MPs são classificados de acordo com seu tamanho, geralmente medido em µm (micrômetros, 10 -6 m). A Tabela 1 apresenta as categorias de tamanhos mais comuns.

Tabela 1: Classificações dos tamanhos dos materiais particulados mais comuns

A combustão de fogos de artifício produz partículas de tamanhos variados, mas é na maior parte fuligem contendo partículas menores (por exemplo, PM2.5), em comparação, por exemplo com as fogueiras comuns, que tendem a formar partículas maiores. Os fogos de artifício não são a única fonte de matéria particulada. Os MP também são produzidos pelas indústrias de construção civil, e ainda existem fontes naturais como: o pólen, o sal do mar e o solo soprado pelo vento.

O aumento dos níveis de partículas no ar está associado a doenças cardiovasculares e respiratórias; partículas menores são especialmente insalubres porque podem penetrar mais profundamente no sistema respiratório. Os MP também têm um efeito significativo no clima: partículas de fuligem aquecem o clima, enquanto que partículas refletoras tendem a esfriá-lo.

No Reino Unido, pesquisas de grupos de estudantes têm mostrado o nível de aumento de partículas devido à celebração Britânica da Noite de Guy Fawkes, também chamada da Noite das Fogueiras. Comemora-se a descoberta e prevenção de um plano para explodir o Parlamento Britânico usando pólvora, com a finalidade de assassinar o rei James I e subverter a democracia. Os explosivos foram encontrados nos porões da Câmara dos Lordes, em poder de Guy (Guido) Fawkes, no dia 5 de novembro de 1605.

Como exemplo do efeito que as celebrações com fogos de artifício têm sobre os MP, trabalhamos com um grupo escolar britânico usando dados disponíveis para qualquer pessoa. Na figura 1, mostramos os níveis de MP2,5 e MP10 no centro de Reading, uma cidade universitária no sul do Reino Unido. A Noite de Guy Fawkes é celebrada no fim de semana mais próximo a 05 de novembro. Esses dados de 05 a 09 de novembro de 2009 mostram que os níveis de partículas atingiram um máximo na noite de 07 de novembro (um sábado). Comparando esses dados com a média de todo o ano de 2009, verificou-se que os níveis de MP naquele sábado foram aumentados por um fator que chegava a sete vezes!

Figura 1: Níveis de MP10 e MP2,5 do centro da cidade de Reading. Linha Azul corresponde a MP2,5 e linha vermelho corresponde a MP10 em 7 de novembro de 2009. As linhas verde e púrpura correspondem aos níveis médios de MP2,5 e de MP10 em 2009
(Elaborado pelos autores e retirado do artigo publicado na revista Ciência na Escola*).


Esses tipos de dados estão disponíveis em muitos países, e permitem que qualquer pessoa faça pesquisa real sobre a química da atmosfera. Problemas como a concentração de material particulado (ou outros poluentes) nas cidades, comparados com a zona rural; comparação entre regiões costeiras e o interior; o efeito dos ventos dominantes; e as diferenças devido às estações do ano ou o tempo de luz solar diário são apenas algumas das possíveis pesquisas que podem ser realizadas. E o que você vai pesquisar?

* Este trabalho é baseado em um artigo publicado pelos mesmos autores: Harrison, T.; Shallcross, D. (2011). Smoke is in the air: how fireworks affect air quality. Science in School 21: 47-51. www.scienceinschool.org/2011/issue21/fireworks.


Espanhol
FUEGOS ARTIFICIALES, HUMO Y CALIDAD DEL AIRE por Dudley Shallcross y Tim Harrison, Facultad de Química, Universidad de Bristol, Reino Unido
Traducción de Natanael F. França Rocha
Revisión de Dr. Isidre Casals - UNIVERSITAT DE BARCELONA - España


Todo el mundo le encanta ver a un castillo de fuegos artificiales. Se utilizan en todo el mundo para celebrar todo tipo de eventos, desde fiestas religiosas hasta ocasiones familiares. ¿Alguna vez has pensado en lo que ocurre con los residuos químicos después de estos maravillosos espectáculos pirotécnicos?

Los fuegos artificiales son paquetes químicos muy inteligentes diseñados para quemar y liberar chispas, color y humo. Se liberan por supuesto muchos productos de combustión, algunos gases y sólidos. Más información acerca de la química general de los fuegos artificiales se puede encontrar en estas webs: http://www.scienceinschool.org/repository/docs/issue21_fireworks_bgd.pdf http://www.scienceinschool.org/repository/docs/issue21_fireworks_bgd_german.doc.

La combustión de los fuegos artificiales produce principalmente tres gases: dióxido de carbono (CO2), dióxido de nitrógeno (NO2) y dióxido de azufre (SO2). Todos ellos están relacionados con aspectos del cambio climático. El dióxido de carbono hace que el calor sea retenido en la atmósfera y, en consecuencia, es un agente de calentamiento global. El dióxido de nitrógeno y el dióxido de azufre permiten la formación de aerosoles en la atmósfera, lo que puede conducir a un efecto de enfriamiento y “oscurecimiento global”. Tanto el dióxido de nitrógeno como el dióxido de azufre pueden formar ácidos con la humedad atmosférica y, como resultado, causan problemas normalmente asociados a la lluvia ácida.

Mediciones científicas durante y después del castillo de fuegos artificiales mostraron altos niveles de NO2 y SO2 en el festival de luces Diwali en la ciudad de Hisar, India en noviembre de 1999; en Maguncia, Alemania, durante las celebraciones del Año Nuevo 2004/2005; durante el Festival de la Luna en Beijing, China, en 2006; y Milán, Italia, en la noche después de que Italia ganó la Copa del Mundo en 2006 (Drewnick et al., 2006; Ravindra et al. 2003; Vecchi et al., 2008; Wang et al., 2007). Este último caso es relevante para Brasil en el 2014.

El humo producido por la quema de fuegos artificiales contiene muchas partículas diminutas de líquido o sólido, que se llaman 'material particulado' (MP) suspendido en la atmósfera. Los MPs se clasifican de acuerdo con su tamaño, por lo general se mide en µm (micrómetros, 10-6 m). La Tabla 1 muestra las categorías de tamaños más comunes.

Tabla 1: Clasificaciones de tamaños de los materiales particulados más comunes en el aire.
La combustión de los fuegos artificiales produce partículas de diferentes tamaños, pero es sobre todo el hollín que contiene partículas más pequeñas (por ejemplo, PM2,5), mientras que las hogueras tienden a formar partículas más grandes. Los fuegos artificiales no son la única fuente de material particulado. Los MPs también son producidos por las industrias de materiales para la construcción, altos hornos y fundiciones, otras industrias, las quemas de bosques y de cultivos, los motores de explosión (coches y camiones), pero también hay fuentes naturales como el polen, la sal del mar y la tierra arrastrada por el viento.

Los niveles elevados de partículas en el aire están asociados con enfermedades cardiovasculares y respiratorias; partículas más pequeñas son especialmente poco saludables, ya que pueden penetrar más profundamente en el sistema respiratorio. Los MPs también tiene un efecto significativo sobre el clima: las partículas de hollín calientan el clima, mientras que las partículas reflectantes tienden a enfriarlo.

En el Reino Unido, investigaciones de grupos de estudiantes han demostrado el nivel de aumento de partículas debido a la celebración británica de Guy Fawkes Night, también llamada noche de las hogueras. Conmemoran el descubrimiento y la prevención de un plan para volar el Parlamento Británico usando la pólvora, con el fin de asesinar al rey Jaime I y subvertir la democracia. Los explosivos fueron encontrados en los sótanos de la Casa de los Lores en poder de Guy (Guido) Fawkes, que fue descubierto en el día 5 de noviembre de 1605.

Como ejemplo del efecto que las celebraciones con fuegos artificiales tienen sobre los MPs, trabajamos con un grupo escolar británico a partir de datos disponibles para cualquier persona. En la Figura 1 se muestran los niveles de MP2,5 y MP10 en el centro de Reading, una ciudad universitaria en el sur del Reino Unido. La Noche de Guy Fawkes se celebra con frecuencia en el fin de semana más cercano al cinco de noviembre. Estos datos de 05 a 09 de noviembre 2009 muestran que los niveles de partículas alcanzaron su punto máximo en la noche del 07 de noviembre (sábado). Al comparar estos datos con la media de todo el año 2009, se encontró que los niveles de MPs en aquel sábado fueron elevados por un factor que llegó hasta siete veces!

Figura 1: Niveles de MP10 y MP2,5 del centro de la ciudad de Reading. La línea azul corresponde a MP2,5 y la línea roja corresponde a MP10 en 7 de noviembre de 2009. Las líneas verde y púrpura son los niveles medios de MP2,5 y PM10 en 2009 (Elaborado por los autores y tomado del artículo publicado en la revista Science in School*).
Este tipo de datos están disponibles en muchos países, y permiten que cualquiera pueda hacer una verdadera investigación sobre la química atmosférica. Problemas como cambios en la concentración de material particulado (u otros contaminantes) en las ciudades, en comparación con el campo; comparaciones entre las regiones costeras y el interior; el efecto de los vientos dominantes; y las diferencias debidas a las estaciones del año o la duración de la luz solar diaria son sólo algunas de las investigaciones posibles que se pueden realizar. Entonces, ¿tu qué vas a investigar?

*Este trabajo se basa en un artículo publicado por los mismos autores: Harrison, T.; Shallcross, D. (2011). Smoke is in the air: how fireworks affect air quality. Science in School 21: 47-51. www.scienceinschool.org/2011/issue21/fireworks.

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