Poluição Atmosférica: Transporte e Dispersão de Poluentes na Atmosfera

Poluição Atmosférica Aula 08 Transporte e Dispersão de Poluentes na Atmosfera A atmosfera é uma camada de ar com aproximadamente 160 km de altura com um volume de ar que é suficiente para a diluição dos diversos compostos que são descarregados na mesma Contudo 95 da massa de ar da atmosfera encontrase em uma camada de aproximadamente 18 km troposfera e é nessa camada que tempos os maiores problemas relacionados a poluição atmosférica O controle da poluição atmosférica em escala global é usualmente realizado por meio de uma rede de monitoramento da qualidade do ar Essa rede permite zelar pela segurança e saúde humana e ambiental bem como predispor de intervenções específicas caso haja uma superação dos níveis limites estabelecidos pela legislação Poluição Atmosférica Aula 08 Transporte e Dispersão de Poluentes na Atmosfera As condições climáticas são responsáveis pela dispersão e movimentação dos poluentes na atmosfera assim são estas condições que determinam como a concentração de um poluente na atmosfera vai se comportar bem como onde este poluente vai se depositar Além disso devem ser levados em consideração na análise os parâmetros da fonte e do receptor No entanto por motivos de caráter administrativo e econômico muitas vezes os pontos de medida dessa rede são limitados podendo ser pouco representativos Sendo assim os modelos matemáticos que simulam o transporte e a difusão dos poluentes na atmosfera constituem uma importante ferramenta para auxiliar as medidas de concentrações e saber a evolução das mesmas Somente com modelos matemáticos é possível fazer previsões ou simular campos de concentração em conexão com políticas de limitação da liberação de poluentes em concordância com planos de melhoria da qualidade de vida da população Poluição Atmosférica Aula 08 A Meteorologia pode ser entendida como a ciência que estuda os fenômenos atmosféricos que se manifestam e ocorrem na natureza Condições meteorológicas estabelecem uma relação entre a fonte de poluição e o receptor tendo como referência o transporte e a dispersão dos poluentes Dispersão dos poluentes depende condições meteorológicas parâmetros e condições da emissão na fonte como velocidade e temperatura dos gases vazão etc Poluição Atmosférica Aula 08 Estrutura dos modelos de dispersão de poluentes atmosféricos Poluição Atmosférica Aula 08 Dispersão Horizontal 1 A orientação de cada segmento indicando a origem da direção do vento 2 A espessura de cada segmento que é proporcional a velocidade do vento 3 O comprimento de cada segmento que é proporcional a porcentagem de tempo que a velocidade do vento soprou de uma determinada direção Poluição Atmosférica Aula 08 Dispersão Vertical Perfil térmico da atmosfera tem relação direta com a capacidade de dispersão de poluentes por mistura vertical A variação vertical de temperatura na atmosfera é muito mais acentuada do que a variação horizontal Esta variação de temperatura vertical é de grande interesse para o estudo da dispersão de poluentes na atmosfera pois condiciona a ocorrência e sentido dos movimentos verticais do ar na atmosfera A temperatura do ar nos movimentos de ascensão e descenso é determinada pelo gradiente adiabático de temperatura Poluição Atmosférica Aula 08 Perfil térmico da atmosfera tem relação direta com a capacidade de dispersão de poluentes por mistura vertical Gradiente adiabático de temperatura decréscimo da temperatura com a altitude em um valor correspondente a aproximadamente 1 oC para cada 100 m de acréscimo de altitude O gradiente de temperatura adiabático serve como fronteira entre o ar estável sem mistura e o ar instável com mistura Poluição Atmosférica Aula 08 Caso extremo temperatura aumenta com a altitude Temperatura decresce mais lentamente que a adiabática Temperatura diminui mais rápido que a adiabática Poluição Atmosférica Aula 08 A inversão térmica é um fenômeno meteorológico típico do inverno nas grandes cidades com alto grau de poluição atmosférica Este fenômeno é causado pela inversão da variação da temperatura vertical da atmosfera O ar quente menos denso e mais leve tende a subir e o ar frio mais denso e pesado tende a descer Durante a maioria dos dias o movimento do ar na atmosfera é vertical e linear O ar quente fruto da ação dos raios solares no solo sobe para dar lugar ao ar frio Nesse movimento os poluentes que são mais quentes e menos densos que o ar sobem ainda mais e se dispersam INVERSÃO TÉRMICA Poluição Atmosférica Aula 08 Para que ocorra a inversão térmica é preciso alguns fatores específicos como baixa umidade do ar O fenômeno pode ocorrer em qualquer época do ano mas fica mais intenso nas épocas de noites longas com baixas temperaturas e pouco vento A inversão térmica acontece quando os raios solares tornamse mais difusos assim o solo da cidade se resfria rapidamente resfriando também o ar próximo ao solo Aquele ar quente que ainda está na atmosfera continua a subir mas o ar frio próximo ao solo por ser mais denso e pesado fica parado Assim a temperatura cai ainda mais e os poluentes que normalmente são levados pelo ar quente acabam retidos na camada mais baixa da atmosfera Poluição Atmosférica Poluição Atmosférica Aula 08 Os poluentes lançados continuamente por uma fonte irão se dispersar resultando na formação de uma pluma Estudar o comportamento da pluma significa estudar como o meio transporta e dispersa os poluentes PROCESSO DE DISPERSÃO A forma da pluma de poluentes emitidos pode ser classificada de acordo com o perfil de temperatura da atmosfera Ilustração das possibilidades de desenvolvimento de pluma em função do gradiente térmico da atmosfera desprezando os seguintes efeitos diferença de densidade entre os poluentes e o ar velocidade de saída dos poluentes e sedimentação dos poluentes Looping Ocorre em que o perfil térmico é superadiabático Temperatura diminui mais rápido que a adiabática Acontece durante dias de céu claro com poucas nuvens e muita insolação A turbulência de origem térmica provoca grandes turbilhões que dispersam rapidamente a nuvem de poluição Coning Ocorre em que o perfil térmico é subadiabático Temperatura aumenta mais rápido que a adiabática Forma cônica Dispersão menor do que da pluma em looping Ocorre em dias nublados e com ventos moderados Fanning Ocorre quando toda a massa de poluentes está contida em uma camada onde ocorre aumento da temperatura com a altitude A mistura vertical quase inexiste em decorrência da estabilidade do ar A mistura horizontal é também muito baixa por causa da falta de ventos Fumigation Ocorre quando o lançamento de efluentes é feito abaixo da camada de inversão A medida que o sol aquece a superfície do solo a inversão desaparece favorecendo a dispersão Lofting Ocorre quando o lançamento de efluentes é feito acima da camada de inversão térmica por subsidência devese ao fenômeno de correntes de ar descendentes formado pela diferença de pressão existente entre grandes massas de ar que se deslocam na atmosfera À medida que o ar desce para altitudes mais baixas e de maiores pressões ele sofre um processo de compressão que aumenta sua temperatura Aula 08 Poluição Atmosférica Aula 08 O principal problema da modelação da dispersão de poluentes no ar é determinar a concentração de um ou mais poluentes no espaço e no tempo Esta concentração depende das características da fonte emissora das variáveis meteorológicas que definem a intensidade da dispersão atmosférica e de parâmetros de remoção e transformação dos poluentes Modelo Matemático Química Processos heterogêneos e homogêneos Reações foto e termoquímicas Deposição superficial Processos em aerossóis Meteorologia Ventos Radiação solar Temperatura Altura de inversão Turbulência Fontes Emissões antropogênicas Emissões naturais Resultado Concentrações calculadas Poluição Atmosférica Aula 08 Modelo de dispersão é uma ferramenta usada por cientistas ambientais para prever os padrões de transporte e dispersão de poluentes na atmosfera A modelagem de dispersão de poluentes foi criada como um meio de entender e prever como os resultados das interações complexas entre velocidade e direcção do vento estabilidade atmosférica topografia entre outros fatores afetam a poluição ao nível do solo em várias distâncias da fonte emissora O modelo de dispersão portanto é uma representação matemática da dispersão dos poluentes e dos fatores que influenciam esta dispersão Como uma extensão destas representações matemáticas os cientistas também usam a modelagem para produzir representações gráficas do transporte e dispersão da poluição do ar Poluição Atmosférica Aula 08 Assessment Population Exposure Model ASPEN Modelo que calcula as concentrações no ar baseado em dados meteorológicos componentes químicos e taxas de emissão dos poluentes na atmosfera Este modelo e comumente usado para determinar níveis de um poluente específico em uma escala nacional e é usado para avaliar o risco de impacto na saúde da população Industrial Source Complex Model ISC Modelo mais preciso e específico usado em complexos industriais para prever com mais segurança a emissão de poluentes por indústrias Poluição Atmosférica Aula 08 Os modelos de poluição do ar podem classificarse de acordo com suas aplicações ou princípio de desenvolvimento Classificação dos Modelos de Acordo com sua Aplicação Aplicação do Modelo Objetivos Pesquisa científica Adquirir conhecimento sobre os processo básicos da atmosfera mecanismo de formação do smog fotoquímico efeito estufa etc Provar novas teorias novos modelos de turbulência atmosféricas Gerência da qualidade do ar e tomada de decisão Incorporar restrições com relação a qualidade do ar na planificação dos sistemas de utilização dos espaços urbanos industriais etc Impacto ambiental Estudo do impacto da contaminação do ar por novas fontes Episódios de poluição do ar Criar um sistema de alerta para episódios de poluição do ar Para localizar áreas danificadas no caso de acidentes que provoquem contaminação do ar Poluição Atmosférica Aula 08 Modelagem Matemática do Transporte de Poluentes Atmosféricos Possibilidade de planejar e gerir de maneira mais racional as fontes poluidoras Equação de Transporte Equação diferencial parcial que relaciona a concentração de um dado poluente com as coordenadas espaciais com o tempo e com as concentrações de outros poluentes que possam afetar a concentração do poluente em estudo Poluição Atmosférica Aula 08 Modelagem Matemática do Transporte de Poluentes Atmosféricos Equação de Transporte Poluição Atmosférica Aula 08 Modelagem Matemática do Transporte de Poluentes Atmosféricos Equação de Transporte Poluição Atmosférica Aula 08 Modelagem Matemática do Transporte de Poluentes Atmosféricos Equação de Transporte Poluição Atmosférica Aula 08 Modelagem Matemática do Transporte de Poluentes Atmosféricos Equação de Transporte Poluição Atmosférica Aula 08 Modelo de Dispersão com Pluma Gaussiana A equação da teoria estatística de Gauss é uma solução analítica simplificada da equação básica da difusão Nesta teoria o eixo x coincide com a direção do percurso da pluma direção principal do vento Neste modelo a variação da altura ΔH indica a elevação da pluma e depende de fatores dinâmicos e térmicos Nos planos horizontal e vertical se observa que a concentração dos contaminantes cumpre a distribuição estatística de Gauss que também seguem as seguintes considerações 1 A pluma viaja com uma velocidade constante igual à do vento e na mesma direção 2 As dimensões da pluma descrevemse através dos coeficientes de dispersão σ 3 A emissão de contaminantes ocorre a aprtir de uma fonte ponual com uma taxa constante Q 4 O contaminante analisado não se perde por desintegração reação qúímica ou deposição Poluição Atmosférica Aula 08 Modelo de Dispersão com Pluma Gaussiana x coordenada horizontal com origem na coordenada do ponto de despejo L y coordenada transversal L z coordenada vertical com origem no solo e orientada para cima L C concentração do poluente Q taxa de emissão do poluente u velocidade do vento H coordenada Z no ponto de emissão σy desviopadrão da distribuição espacial da pluma ao longo da direção horizontal σz desviopadrão da distribuição espacial da pluma ao longo da direção vertical 2 2 2 2 2 1 exp 2 1 exp 2 exp 2 z z y z y H z H z y u Q C x y z Poluição Atmosférica Aula 08 Unidades de concentração de poluentes atmosféricos Unidades em porcentagem Unidades em partes por milhão Para concentrações acima de 01 a concentração C é usualmente expressa em porcentagem e pode ser calculada para gases ideais ou com comportamento de gases ideais por V volume dos componentes a temperatura constante p pressão parcial dos componentes a temperatura constante Poluição Atmosférica Aula 08 Unidades de concentração de poluentes atmosféricos Para concentrações abaixo de 01 a concentração C é usualmente expressa em partes por milhão de volume ppm isto é o número de partes por volume do componente em um milhão de partes por volume da misturas de gases Esta definição pode ser expressa por VD volume do diluente a temperatura constante pD pressão parcial do diluente a temperatura constante Observação Para concentrações abaixo de 5000ppm os valores do volume e pressão do componente a ser avaliado pode ser desprezado no denominador pois sua contribuição é insignificante Poluição Atmosférica Aula 08 Unidades de concentração de poluentes atmosféricos Poluição Atmosférica Aula 08 Unidades de concentração de poluentes atmosféricos A concentração de uma substância em uma mistura gasosa também pode ser calculada em situações nas quais uma quantidade conhecida massa ou volume de uma substância líquida é vaporizada e forma uma mistura gasosa com um diluente com volume conhecido Poluição Atmosférica Aula 08 Unidades de concentração de poluentes atmosféricos Usualmente a massa da substância A ma é expressa em termos do volume de líquido VL e densidade do líquido ρa Assim temos a seguinte equação para a concentração em ppm 𝐶𝑝𝑝𝑚 106 𝑉𝑎 𝑉𝐷 106 𝑚𝑎 𝑅 𝑇 𝑀𝑎 𝑃 𝑉𝐷 106 𝑉𝐿 𝜌𝐿 𝑅 𝑇 𝑉𝐷 𝑀𝑎 𝑃 𝐶𝑝𝑝𝑚 245106 𝑉𝐿 𝜌𝐿 𝑉𝐷 𝑀𝑎 Em situações com temperatura ambiente de 25C e pressão atmosférica de 760mmHg esta equação é simplificada para 𝐶𝑝𝑝𝑚 224106 𝑉𝐿 𝜌𝐿 𝑉𝐷 𝑀𝑎 Em situações com temperatura ambiente de 27315K e pressão atmosférica de 760mmHg CNTP esta equação é simplificada para Poluição Atmosférica Aula 08 Unidades de concentração de poluentes atmosféricos Em muitas situações envolvendo poluição atmosférica é conveniente usar uma concentração do poluente em termos de peso do poluente por unidade de volume Estas situações são comuns quando lidamos com fumaça névoa ou poeira de metais como cobre chumbo ou ferro Porém gases e vapores no ar também são expressos desta maneira Assim temos 𝐶𝑚 𝑉 𝑚𝑎 𝑉𝐷 𝐶𝑚 𝑉 106 𝐶𝑝𝑝𝑚 𝑀 𝑃 𝑅 𝑇 ma massa do poluente VD Volume do diluente 𝐶𝑚 𝑉 𝑝𝑎 𝑀 𝑃 𝑝𝐷 𝑅 𝑇 Sólidos Vapores Poluição Atmosférica Aula 08 Unidades de concentração de poluentes atmosféricos Usualmente a pressão do diluente e praticamente igual a pressão do sistema atmosférica Assim podemos simplificar a equação para os vapores da seguinte forma 𝐶𝑚𝑔 𝑚3 𝐶𝑝𝑝𝑚 𝑀 245 𝐶𝑚 𝑉 𝑝𝑎 𝑀 𝑃 𝑝𝐷 𝑅 𝑇 𝑝𝑎 𝑀 𝑅 𝑇 𝑝𝑜𝑖𝑠 𝑝𝐷 𝑃 Para a concentração em peso por volume expressa em mgm3 nas condições ambientes com temperatura de 25ºC e pressão de 1 atm temos Em situações com temperatura ambiente de 27315K e pressão atmosférica de 760mmHg CNTP esta equação é simplificada para 𝐶𝑚𝑔 𝑚3 𝐶𝑝𝑝𝑚 𝑀 224 Poluição Atmosférica Aula 08 Unidades de concentração de poluentes atmosféricos Poluição Atmosférica Aula 08 Unidades de concentração de poluentes atmosféricos Poluição Atmosférica Aula 08 Modelo de Dispersão com Pluma Gaussiana x coordenada horizontal com origem na coordenada do ponto de despejo L y coordenada transversal L z coordenada vertical com origem no solo e orientada para cima L C concentração do poluente Q taxa de emissão do poluente u velocidade do vento H coordenada Z no ponto de emissão σy desviopadrão da distribuição espacial da pluma ao longo da direção horizontal σz desviopadrão da distribuição espacial da pluma ao longo da direção vertical 2 2 2 2 2 1 exp 2 1 exp 2 exp 2 z z y z y H z H z y u Q C x y z Poluição Atmosférica Aula 08 Dispersão de uma pluma de acordo com a teoria estatística de Gauss Poluição Atmosférica Aula 08 Casos simplificados da equação de Gauss 1 As concentrações são calculadas no nível do solo z 0 2 2 2 2 2 1 exp 2 1 exp 2 exp 2 z z y z y H z H z y u Q C x y z 2 2 2 2 2 1 exp 2 1 exp 2 exp 2 0 z z y z y H H y u Q C x y 2 2 2 2 1 2 exp 2 exp 2 0 z y z y H y u Q C x y 2 2 2 2 1 exp 2 exp 0 z y z y H y u Q C x y Poluição Atmosférica Aula 08 Casos simplificados da equação de Gauss 2 As concentrações são calculadas na linha central da pluma ao nível do solo y 0 z 0 2 2 2 2 1 exp 2 exp 0 z y z y H y u Q C x y 2 2 1 exp 00 z z y H u Q C x Poluição Atmosférica Aula 08 Casos simplificados da equação de Gauss 3 As concentrações são calculadas para uma fonte ao nível do solo y 0 z 0 H 0 como uma pequena combustão pó muito fino a partir de uma pilha etc 2 2 1 exp 00 z z y H u Q C x z y u Q H C x 0 00 Poluição Atmosférica Aula 08 Determinação dos coeficientes de dispersão no modelo Estatístico de Gauss Os coeficientes de dispersão do modelo de Gauss podem ser determinados pelos nomogramas de Pasquill Guifford Estes nomogramas foram construídos com base em dados coletados em diferentes regiões dos EUA e da GrãBretanha medidos em intervalos de 10 minutos As linhas A B C D E e F dos nomogramas indicam as diferentes categorias de estabilidade atmosférica com a seguinte especificação A Extremamente instável B Moderadamente instável C Ligeiramente instável D Neutral E Ligeiramente estável F Moderadamente estável Poluição Atmosférica Aula 08 Determinação dos coeficientes de dispersão no modelo Estatístico de Gauss Os coeficientes de dispersão do modelo de Gauss podem ser determinados pelos nomogramas de Pasquill Guifford Estes nomogramas foram construídos com base em dados coletados em diferentes regiões dos EUA e da GrãBretanha medidos em intervalos de 10 minutos A Extremamente instável B Moderadamente instável C Ligeiramente instável D Neutral E Ligeiramente estável F Moderadamente estável As linhas A B C D E e F dos nomogramas indicam as diferentes categorias de estabilidade atmosférica com a seguinte especificação Velocidade do vento a 10m ms Dia insolação Noite Forte Moderada Leve Mais nublado Pouco nublado 2 A A B B 2 3 A B B C E F 3 5 B B C C D E 5 6 C C D D D D 6 C D D D D Poluição Atmosférica Aula 08 Determinação dos coeficientes de dispersão no modelo Estatístico de Gauss Gráfico para a determinação do coeficiente de dispersão lateral σy σy Coeficiente de dispersão vertical Poluição Atmosférica Aula 08 Determinação dos coeficientes de dispersão no modelo Estatístico de Gauss Gráfico para a determinação do coeficiente de dispersão lateral σz σz Coeficiente de dispersão vertical Poluição Atmosférica Aula 08 Determinação dos coeficientes de dispersão no modelo Estatístico de Gauss Os coeficientes de dispersão do modelo estatístico de Gauss também podem ser determinados através de cálculo usando as equações abaixo 𝜎𝑦 𝑒𝑥𝑝 𝐼𝑦 𝐽𝑦𝑙𝑛𝑥 𝑘𝑦 𝑙𝑛𝑥 2 𝜎𝑧 𝑒𝑥𝑝 𝐼𝑧 𝐽𝑧𝑙𝑛𝑥 𝑘𝑧 𝑙𝑛𝑥 2 Poluição Atmosférica Aula 08 Exemplo de cálculo usando o modelo de dispersão de Gauss Uma fundição de cobre tem uma chaminé de 150 m de altura e uma elevação da pluma de 75 m Na atualidade está emitindo 1000 gs de SO2 Estime a concentração de SO2 ao nível do solo a uma distância de 5 km diretamente na direção do vento quando a velocidade do mesmo é de 3 ms e o tipo de estabilidade C Solução Dados Altura da Chaminé 150 m Altura da pluma 75 m Q 1000 gs X 5000 km Velocidade do vento 3 ms Estabilidade do vento tipo C Cálculo dos coeficientes de dispersão σy e σz Usando os nomogramas Usando as equações Poluição Atmosférica Aula 08 Cálculo dos coeficientes de dispersão usando os nomogramas σy 450 m σz 250 m 2 2 1 exp 00 z z y H u Q C x 2 250 225 2 1 exp 250 450 143 3 1000 225 00 5000 m m m s m s g H C 3 6 29 10 4 225 00 5000 m g x H C Poluição Atmosférica Aula 08 Cálculo dos coeficientes de dispersão usando as equações 2 2 1 exp 00 z z y H u Q C x 𝜎𝑦 𝑒𝑥𝑝 𝐼𝑦 𝐽𝑦𝑙𝑛𝑥 𝑘𝑦 𝑙𝑛𝑥 2 𝜎𝑧 𝑒𝑥𝑝 𝐼𝑧 𝐽𝑧𝑙𝑛𝑥 𝑘𝑧 𝑙𝑛𝑥 2 σy 4497 m σz 2666 m 2 266 7 225 2 1 exp 266 7 449 7 143 3 1000 225 00 5000 m m m s m s g H C 3 10 4 26 225 00 5000 m g x H C