Monitoramento e Controle Ambiental Programa de Pós Graduação

Monitoramento e Controle Ambiental Programa de Pós Graduação em Meio Ambiente (PPG MA) UERJ 1

Ementa (resumida): Monitoramento e caracterização do ambiente; Amostragem e Qualidade de Dados; Estatísticas e Geoestatística; Aquisição e Processamento Automático de Dados; Mapas em Monitoramento Ambiental; Sistemas de Informações Geográficas e Bancos de Dados e seu uso em Monitoramento Ambiental; Monitoramento das águas superficiais; Monitoramento das águas subterrâneas; Monitoramento e controle da qualidade do ar; Amostragem do solo e da zona de vadose; Sensoriamento Remoto aplicado ao Monitoramento Ambiental; Uso de Animais no Monitoramento Ambiental. 2

Bibliografia. . . • Environmental Monitoring and Characterization Janick Artiola, Ian L. Pepper, Mark L. Brusseau • Conceptual Basis of Environmental Monitoring Systems: A Geospatial Perspective D. A. Bruns and Gsma. B. Wiersma • Advanced Environmental Monitoring Young J. Kim (Editor), Ulrich Platt (Editor) • Remote Sensing for Natural Resource Management and Environmental Monitoring, edited by Susn L. Hustin • http: //www. nap. edu/ free PDF books 3

Bibliografia • Papers diversos • Internet hyperlinks 4

Monitoramento e Caracterização do Ambiente 5

Monitoramento e Caracterização do Ambiente. . . Ambiente – vizinhança, região em que nos encontramos inseridos O ambiente é um continuum de processos físicos, químicos e biológicos interligados e que não podem ser facilmente separados uns dos outros. Ex. água (nos estados sólido, líquido e gasoso) é encontrada na crosta terrestre, na atmosfera, na superfície terrestre e dentro de organismos vivos. Diversos fatores contribuem para a preservação/equilíbrio do meio ambiente. 6

Monitoramento e Caracterização do Ambiente. . . Biocomplexidade – interdependência dos elementos dentro de um sistema ambiental específico e a interação entre diferentes tipos de sistemas. Pesquisas nos componentes individuais dos sistemas ambientais proporcionam informação limitada para a compreensão do todo. Recursos renováveis e sustentáveis + biodiversidade sobrevivência do homem 7

Monitoramento e Caracterização do Ambiente. . . Monitorar: [1] olhar, observar ou verificar, tendo em vista um propósito determinado. [2] Acompanhar, regular ou controlar a operação de um processo, máquina ou sistema. Sistema conjunto de elementos interrelacionados que interagem no desempenho de uma função [Jorge H. C. Fernandes]. 8

Monitoramento e Caracterização do Ambiente. . . Monitoramento Ambiental (MA): é a observação e estudo do meio ambiente. Em termos científicos deseja se coletar dados, a partir dos quais se possa derivar conhecimento. Três primeiros degraus da escada – enraízado no método científico. Área essencialmente multidisciplinar – requer conhecimentos de química, física, biologia, matemática, estatística, computação. . . 9

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Monitoramento e Caracterização do Ambiente. . . A informação gerada pelo MA pode ser usada de várias formas: Destino, a curto prazo, de espécie de peixes ameaçadas em um determinado rio; Preservação de recursos naturais (ex. pantanal, amazônia, etc. ) Melhoria da qualidade de vida; Proteção & preservação da vida humana, animal e vegetal; 11

Regulação e Benefícios do MA. . . Proteção dos mananciais (fontes de água) – inclui o monitoramento das águas de superfície e subterrâneas; causas da poluição das águas; tratamento de esgoto e de lixo e a sua disposição e descarga no meio ambiente. Gerenciamento de resíduos (lixo) radioativos– incluindo manipulação, reuso e possíveis impactosao meio ambiente e ao ser humano. Qualidade do ar urbano – causas da poluição; transportes e indústrias – efeitos na saúde do homem. 12

Regulação e Benefícios do MA. . . Proteção e Gerenciamento de Recursos Naturais – degradação do solo; exploração de florestas e madeiras; suprimento de água; suprimento de alimentos; recreação. Previsão do tempo – mudanças climáticas a curto e a longo prazo; catástrofes associadas (inundações, tornados, furacões, secas). Desenvolvimento econômico e planejamento do uso do solo – alocação de recursos; exploração de recursos. Crescimento populacional – padrões de densidade relacionados ao desenvolvimento econòmico e recursos naturais. Delineamento – mapeamento dos recursos naturais; classificação do solo; delineamento de wetland (charcos, pântanos), fontes de água, habitats críticos; alteração de fronteiras. 13

Regulação e Benefícios do MA. . . Espécies ameaçadas e biodiversidade – enumeração das espécies, extinção, descoberta e proteção. Mudanças climáticas globais – estratégias para controlar a emissão de poluentes e emissão de gases com efeitos sobre o clima e a saúde. 14

Monitoramento e Caracterização do Ambiente. . . Através do MA sabe se que: grande parte da superfície do solo, corpos d´água e blocos de gêlo contêm traços e ultra traços de sintéticos químicos (ex. dioxinas) e componentes associados à poeira radioativa de explosões nucleares (eg. césio radioativo). as águas dos rios e lagos contêm traços de concentrações de pesticidas (origem na agricultura) e de agentes poluidores que atuam na atmosfera (eg. chuva ácida). 15

Remediação/Reparação & Restauração Ambiental. . . Foco no desenvolvimento e implementação de estratégias voltadas para reverter impactos ambientais negativos. Exemplos: contaminação de solos por metais Contaminação de águas por mercúrio Acidentes nucleares (eg. Chernobil) Acidentes radiológicos (eg. Goiânia) 16

Remediação/Reparação & Restauração Ambiental. . . (1) Remediação/Reparação as atividades objetivam em remover ou tratar a contaminação. Remediação Ambiental (def. Wikipidia) é um conjunto de técnicas e operações tendo em vista anular os efeitos nocivos, seja ao ser humano, seja ao restante da biota, de elementos tóxicos num determinado sítio. Em outras palavras, é um termo usado para corrigir problemas em áreas contaminadas (AC). 17

Remediação/Reparação & Restauração Ambiental. . . (2) Restauração as atividades objetivam reabilitar o eco sistema. Para desenvolver e implantar atividades de remediação / restauração ambiental (interdisciplinares) é necessário o concurso de cientistas ambientais, engenheiros, especialistas em solos e em água, hidrologistas, microbiologistas, cientistas computacionais e estatísticos. . . 18

Remediação/Reparação & Restauração Ambiental. . . É necessário um entendimentos dos principais processos físicos, químicos e biológicos existentes na região. A informação para isto é obtida através do Monitoramento Ambiental. 19

Escalas de Observação. . . • Central ao MA são as definições de observação, amostra e medida e sua relação com escala. • A ciência e a engenharia possibilitam observações em escalas micro e global. • Partículas subatômicas são usadas como sondas para determinar as propriedades atômicas e moleculares de sólidos, líquidos e gases. • Com esta tecnologia pode se detectar a presença de quantidades mínimas de produtos químicos no meio ambiente. 20

Escalas de Observação. . . • Sensores baseados em satélites varrem e mapeiam a superfície da terra várias vezes em um único dia. • Contudo, todas as observações têm uma resolução finita em duas ou três dimensões, o que complica a definição de escala. 21

Escalas Espaciais GLOBAL-Earth(> 1 O, OOOkm) MESO-Continent, country, state (> 1 OOkm) INTERMEDIATE-Watershed, river, lake(> 1 km) FIELD-Agric. field, waste site (>1 m) MACRO-Animal, plant, soil clod (> 1 mm) MICRO-Soil particle, fungi, bacteria (> 1 m) ULTRA-MICRO-Virus, molecules (> 1 nm) ATOMIC – Atoms, subatomic particles (< 1 nm) 22

Escalas Temporais GEOLOGIC (> 10, 000 years) GENERATION-LIFETIME (20 -100 years) ANNUAL (>1 year) SEASONAL (>4 months) DAILY (>24 hours) HOURLY (>60 minutes) INSTANTANEOUS (<1 second) 23

EXEMPLO A city air quality monitoring station near a busy intersection collects air samples from an inlet 3 m above ground at a flow rate of 1 L min 1. The stream of air is passed through an infrared (IR) analyzer, and carbon monoxide (CO) concentrations are measured every second. One second interval data are stored in the instrument memory and every hour the mean value of the 1200 data points is sent by the instrument to a data logger (see Chapter 9). Subsequently, the data logger stores the 24 data points and computes a mean to obtain daily CO averages. The data logger sends the stored hourly and daily data to a central repository location for permanent storage and further statistical analysis. Figure 2. 3 a shows an example of mean 24 hourly data CO concen trations during a winter month at Station #3. Daily values are then averaged monthly (Figure 2. 3 B) and finally mean annual values collected from three other city CO monitoring stations are compared (Table 1. 1). Table 1. 1 also shows maximum I hour and 8 hour CO concentrations that can be used to determine compliance with air quality standards (see Chapter 6) at four different city locations. The true scale and effort spent to collect these data often escapes the end user. The annual values are not the result of one large scale (1 year long) measurement. They are the means of thousands of small scale (I second interval) measurements. 24

Carbon Monoxide (CO) Concentrations Data Summary for 1998 from Stations # 1 to #4, in Tucson, Arizona Maximum Annual Average 1 -hour CO 8 -hour. CO (µgg-l) 1 0. 80 7. 6 (11 -16) 4. 3 (11 -16) 2 0. 50 4. 8 (12 -03) 2. 6 (01 -08) 3 1. 20 7. 8 (11 -14) 4. 0 (11 -27) 4 0. 50 5. 9 (01 -08) 4. 3 (01 -09) Station # (µg g-l) Adapted from Pima County Department of Environmental Quality 1998 Annual Data Summary of Air Quality in Tucson, AZ. Report AQ-309. Note: Numbers in parentheses indicate date of recorded value. 25

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Escalas x Medidas • Como se relacionam as escalas e as medidas? • Essencialmente é impossível se estar em todos os lugares em qualquer tempo, ou seja é impossível observar e ver tudo. • A Estatística ajuda os cientistas ambientais a extrapolar e interpolar informações, a partir de uma pequena amostra de observações, para o total da população ou ambiente. 29

Organizações vinculadas ao MA • Várias instituições governamentais e da iniciativa privada (eventualmente organizações não governamentais – ONG´s) estão envolvidas na coleta, armazenamento, estruturação e avaliação de dados ambientais. • Instituições governamentais aplicação das leis e regulamentos 30

Departamentos com vínculos em Monitoramento Ambiental (E. U. ) U. S. Department of Commerce National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) National Weather Service (NWS) National Environmental Satellite, Data & Information Service (NESDIS) National Oceanic Data Center (NODC) U. S. Census Bureau (USCB) Economics and Statistics Administration (ESA) 31

Outras organizações federais independentes (E. U. ) Department of Health and Human Services Food and Drug Administration (FDA) Centers for Disease Control and Prevention (CDC) Department of Defense (DOD) U. S. Army Corp of Engineers National Aeronautics and Space Administration (NASA) 32

Outras organizações federais independentes (E. U. )… Environmental Protection Agency (EPA) Office of Solid Waste and Emergency Response Office of Air and Radiation Office of Water Department of Interior (DOl) U. S. Geological Survey (USGS) National Biological Information Service (NBIS) Bureau of Land Management (BLM) U. S. Fish and Wildlife National Park Service (NPS) Bureau of Reclamation (BR) Office of Surface Mining (OSM) 33

Outras organizações federais independentes (E. U. )… Department of Energy (DOE) Federal Energy Regulatory Commission (FERC) U. S. Department of Agriculture (USDA) National Resources & Environment (NRE) 34

Estado atual e futuro do MA. . . • Muitos países são limitados em suas pesquisas ambientais • Incipiente atividade de monitoramento ambiental • Programas de monitoramento ambiental da ONU (e. g. GEMS WATER http: //www. gemswater. org) • Informações em escalas intermediárias são praticamente inexistentes em muitos países 35

Estado atual e futuro do MA. . . • E. U. possuem a maior rede de MA e repositório de dados em todo o mundo • Em escala regional, o desenvolvimento de Sistemas de MA via satélite pelos E. U. e outras nações industrializadas está fornecendo informações (de superfície) de regiões remotas e subdesenvolvidas. • Disseminação da informação em escala mundial via Internet 36

Estado atual e futuro do MA. . . • Dificuldade da integração de dados entre agências • Necessidade da aplicação de padrões comuns • Necessidade de uso do mesmo software de comunicação e protocolo para a troca de dados • A adoção universal do Sistema Internacional de Unidades (SI) • Em escala global a harmonização de dados ambientais cabe ao United Nations Environment Program (UNEP) – www. unep. org 37

Estado atual e futuro do MA. . . • UNEP fornece dados ambientais, incluindo previsão de tendências, em áreas que incluem: avaliação do ambiente, atmosfera, água, biodiversidade, energia e química. • Até recentemente a maioria dos programas ambientais preocupava se com assuntos de curto prazo e relacionados à saúde e bem estar do homem, ignorando as mudanças de longo prazo no meio ambiente. 38

Estado atual e futuro do MA. . . O White House National Science & Technology Council (E. U. ) propos a National Environment Initiative para integrar as redes e programas de MA nos E. U. 39

Recomendações do WHNSTC para uma estrutura de MA nos E. U. [1] Integrar programas e redes de pesquisas ambientais através de escalas espaciais e temporais e entre recursos + alta prioridade Aumentar o uso de informação baseada em sensoriamento remoto para a detecção e avaliação do status ambiental e mudanças; coordenar estas análises com monitoramento e pesquisas in situ. Selecionar variáveis que forneçam pronta resposta às necessidades de políticas. 40

Recomendações do WHNSTC para uma estrutura de MA nos E. U. [2] • Assegurar que as variáveis mensuradas e as localizações em que são mensuradas são sensitivas às alterações ambientais. • Estabelecer padrões e protocolos para compatibilidade e qualidade de dados como componentes integrais do framework. • Adotar protocolos baseados em performance para controle de qualidade e gerenciamento da informaçãoaplicáveis a todos componentes do framework. • Estabelecer um programa nacional de controle de qualidade. 41

O Futuro do MA [1] Ainda existe um grande desconhecimento do ambiente (ex. abelhas nativas x preservação das florestas? ? ? ). Isto diz respeito ao passado, presente e futuro. Decisões a níveis local, regional, nacional e global são tomadas como se o crescimento econômico fosse perdurar indefinidamente. O homem adota práticas que exaurem os recursos naturais, destrói habitats e dispõe de plantas e animais até (ou próximo) a sua extinção. 42

O Futuro do MA [2] Poluição continua em índices crescentes. Impactos ambientais em um país reflete se em outros. . . (exemplos) Necessidade de mais informações geradas a partir do MA para antecipar mudanças futuras. Os dados ambientais devem ser coletados em todas as escalas, devem ser de alta qualidade, fáceis de usar e intercambiáveis. Maior uso de sistemas de MA baseados em satélite conjugado com monitoramento e pesquisas in situ. 43