UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA AMBIENTAL
Monitoramento da Qualidade do Ar
Composição da Atmosfera,
Ciclos Globais e Tempo de Vida
Otávio Luiz Gusso Maioli
Gilsiane Nogueira do Nascimento
Profo Dr. Neyval Costa Reis Junior
Sumário
•
Composição da atmosfera
•
Ciclos globais
•
Tempo de residência de compostos na atmosfera
•
Compostos contendo enxofre
•
Compostos contendo nitrogênio
•
Compostos contendo carbono
•
Compostos contendo halogênio
•
Ozônio
Distribuição da Atmosfera
Distribuição de Temperatura pela Atmosfera
Lora (2002)
Distribuição de Temperatura pela Atmosfera
Troposfera: Camada de ar junto à terra. Possui altura de 15Km
sobre o equador. Nessa camada a temperatura diminui com a altura a
uma velocidade de 6,5°C/Km. O ar mantém-se bem misturado devido à
convecção vertical.
Estratosfera: Vai desde a tropopausa até uma altura de 50Km. A
temperatura do ar pode ser constante, logo aumenta com a altura. No
limite superior da estratosfera a temperatura do ar é de
aproximadamente 270 K.
Mesosfera: Vai desde os 50 Km de altura até 85 Km. A temperatura
do ar diminui com a altura até atingir 175 K, sendo este o ponto mais
frio da atmosfera.
Termosfera: É a camada superior da atmosfera. Aqui a densidade
molecular é de 10-3 moleculas/cm3. Em termos de comparação, no
nível do mar este parâmetro tem um valor médio de 2,5 x 109
moléculas/cm3
Distribuição da Atmosfera de acordo com a
movimentação do ar
Atmosfera
Lora (2002)
Composição da Atmosfera
• N2
78,09%
• O2
20,94%
• Ar
0,93%
• CO2
0,0315%
• Ne
0.0018%
• He
0.00052%
• CH4
0.00012%
• Kr
0,00010%
• NOx
0,00005%
• H2
0.00005%
• Xe
0.000008%
• Vapores
0.000002%
Orgânicos
Composição
do ar limpo
em volume
Ar limpo X Ar contaminado
POLUENTE
CONCENTRAÇÃO (ppb)
AR LIMPO
AR
CONTAMINADO
SO2
1 – 10
20-200
CO
120
1000-10.000
NO
0,01 – 0,05
50-750
NO2
0,1-0,5
50-250
O3
20-80
100-500
Ciclos Globais – Ciclo do Carbono
Ciclo do carbono
Ciclos Globais – Ciclo do Nitrogênio
Lora (2002)
Ciclos Globais – Ciclo do Enxofre
Lora (2002)
Tempo de Residência / “Conservação de massa”
“O tempo de residência nos diz em média quanto
tempo uma mólecula permanecerá na atmosfera
antes de ser removida”.
Balanço de massa
Taxa
de
entrada
da
espécie
Taxa de
-
Taxa
de saída
da espécie
+
introdução
ou emissão
da espécie
-
Taxa de
remoção
da espécie
=
Taxa de
acumulação
da espécie
em um
volume
imaginário
Tempo de Residência / “Conservação de massa”
dQ
 ( Fentrada  Fsaída )  ( P  R)
dt
( Fentrada  P)  ( Fsaída  R)
Q

R  Fsaída

Q

P  Fentrada
Q Q

R P
4 x1012 g

1
12
1
200x10 g.ano
semana
Tempo de Residência
Para composto radioativo
Q
1


Q 
Para compostos com mais de dois processos de deposição
:

Q
1

(k1  k 2 )Q k1  k 2
1
1 
k1
1


1
1

1
2
2 
1
k2
 1 . 2

 1  2
1
Tempo de Residência
Para compostos reativos
OH + A → Produtos
k= constante de velocidade da reação
Q
1


k[OH ]Q k[OH ]
Tempo de Residência
Tratamento considerando tipos de fontes e sumidouros
Pin = emissões naturais
Pia = emissões antropogênicas
Pic = reações químicas
}
Rid = deposição seca
Riw = deposição úmida
Ric = reações químicas
Rit = transporte para a estratosfera
Pi
}
Ri
Tempo de Residência
dQ
 Pi  Ri
dt
dQi
 Pi n  Pi a  Pi c  (k id  k iw  k ic  k it )Qi
dt
Pi n  Pi a  Pi c  (kid  kiw  kic  kit )Qi  0
1
i  d
k i  k iw  k ic  k it
Q
i n
Pi  Pi a  Pi c
Tempo de Residência
Escala Urbana Regional ou Sinótica ou
Microescala
ou Local
Mesoescala Escala Global
100 anos
Espécies de
vida longa
CFCs
N2O
CH4
1 ano
CH3CCl3
CH3Br
Escala Temporal
10 anos
Espécies de
vida moderadamente
longa
NOX
1 dia
C3H6
1h
CO
Aerosóis
O3 Trop.
SO2
H2O2
DMS
C5H8
Espécies de
vida curta
CH3O2
10 s
HO2
NO3
OH
1s
1 m 10 m
100 m
Tempo de mistura
inter-hemisférico
1 km 10 km 100 km 1000 km 10.000 km
Escala Espacial
Tempo de mistura
intra-hemisférico
Tempo de mistura
de camada limite
Compostos atmosféricos
1- Compostos contendo enxofre
2- Compostos contendo nitrogênio
3- Compostos contendo carbono
4- Compostos contendo halogênio
5- Ozônio
Compostos contendo Enxofre
• COS
• CS2
• (CH3)2S, CH3SH, (CH3)2S2 (compostos reduzidos
de enxofre)
• H2S
• SO2
• SO3
• SO42-
Compostos contendo Enxofre
Compostos contendo Enxofre
Compostos contendo Enxofre - Fontes
• Naturais
Degradação biológica
Emissões vulcânicas
Oceanos
• Antropogênicas
Queima de combustíveis fósseis
Oxidação de minerais sulfurosos, para obtenção de
Cu, Pb e Zn Processos de refino de petróleo
Indústria de celulose
Estações de tratamento de esgoto
Compostos contendo Enxofre - Efeitos
Compostos contendo Nitrogênio
• NO
• NO2
}
NOx
• N2O
• N2O3 , N2O4 , NO3 , N2O5
• PAN (CH3COOONO2)
• NH3
• Sais de NO3- , NO2- , NH4+
}
NOy
Compostos contendo Nitrogênio - Fontes
• Naturais
Relâmpagos
Atividade microbiana no solo
Oxidação da amônia (para compostos de N em
estado de oxidação elevado)
Processos fotolíticos ou biológicos nos oceanos
• Antropogênicas
Queima de combustíveis fósseis e de biomassa
Processos químicos industriais
Estações de tratamento de esgoto
Compostos contendo Nitrogênio - Efeitos
•
São os precursores dos oxidantes fotoquímicos, como ozônio e PAN’s (Peroxiacetilnitratos).
•
Causam decremento da capacidade pulmonar, tosse, desconforto no peito, aumento do
número e ataques de asma, dores de cabeça e irritação nos olhos.
•
Causa injúrias cronicas nos vegetais.
•
Como todo oxidante causa aceleração na deterioração de materiais, principalmente
borracha, texteis e corantes.
•
O NO e o NO2 participam, juntamente com o ozônio troposférico, do ciclo fotoquímico
básico dos óxidos de nitrogênio e ozônio. Este ciclo fotoquímico causa o aumento da
concentração de ozônio (O3) troposférico em cerca de 100 a 200 vezes em relação ao ar
não poluído. O O3 troposférico causa graves problemas respiratórios, destrói a flora e
materiais duráveis.
•
Além dos danos à saúde o NOx é ainda responsável pela chuva ácida e smog
fotoquímico.
Compostos contendo Carbono
- CO
- CO2
- Hidrocarbonetos
- Aldeídos
- Cetonas
- Solventes clorados
}
- Substâncias refrigerantes......
COVs
Compostos contendo Carbono - COVs
COVs e concentrações
Compostos contendo Carbono - Fontes
• Naturais
Florestas
Pastagens
• Antropogênicas
Veículos
Indústria de petróleo
Solventes
Produção de gás natural
Carvão (Centrais termoelétricas e indústria)
Fontes e Dissipadores de CO
Fontes e dissipadores de metano (CH4)
Compostos
emitidos pela
vegetação
Fontes (emissões vulcânicas, queimadas e queima de carvão)
STERN (1984)
Compostos contendo Carbono - Efeitos
Compostos contendo Halogênios
• Halocarbonos
• Clorofluorcarbonos (CFCs)
• Hidroclorofluorcarbonos (HCFCs)
• Hidrofluorcarbonos (HFCs)
• Perhalocarbonos
• Halons
Característica dos Compostos contendo Halogênios
• Em geral, se referem a compostos orgânicos
• Possuem propriedades refrigerantes, propelentes e
solventes
• São compostos altamente estáveis
• Em 1995, cerca de 85% de suas fontes eram
antropogênicas
• Destroem a camada de ozônio (especialmente CFCs)
Compostos contendo Halogênios
Ozônio
Dr. Paul Crutzen, em 1970,
Instituto Max Planck,
mostrou que os óxidos de
nitrogênio têm
um papel importante no
controle do equilíbrio
natural do ozônio.
Dr. Mario Molina, MIT, publicou
em 1974 com
Dr. Sherwood Rowland um
artigo muito comentado em
Nature sobre a ameaça dos
clorofluorcarbonos (CFCs) à
Camada de Ozônio.
Dr. Sherwood Rowland,
Professor Emérito,
Departamento de Química,
Universidade da Califórnia,
Irvine, cujo artigo com Dr.
Mario Molina detonou
intensa pesquisa sobre o
ozônio.
Compostos contendo Halogênios - Efeitos
Ozônio na atmosfera
Ozônio X NOx
Ozônio X Compostos de nitrogênio X HC
Ozônio X Compostos de nitrogênio
Efeitos dos poluentes na saúde humana
Ozônio - Efeitos
Euglena gracilis são
organismos verdes
flagelados têm forma de
fuso e nadam na sua forma
alongada. Abaixo: após a
irradiação de UV as células
giram e se dobram e então
se tornam redondas, sem
poder nadar.
Melanona maligno
do dedo do Pé
campanha
australiana contra
o câncer.
Ozônio - Efeitos
Taxas de incidência de câncer de pele sem melanoma entre
pessoas brancas na
idade de 40 anos. A probabilidade de desenvolvimento
de câncer aumenta com a exposição
ao sol e com a tonalidade mais clara da pele.
Poluentes Primários e secundários na atmosfera
Principais fontes de poluentes atmosféricos
Referências Bibliográficas
SEINFELD J. H. e PANDIS S. N. (1998), Atmospheric Chemistry and
Physics – From Air Pollution to Climate Change, Wiley Interscience, USA.
LORA, E. E, Prevenção e controle da poluição nos setores energético,
industrial e de transporte – 2ª ed.- Rio de Janeiro, Interciência, 2002.
STERN, A.; BOUBEL,R.; TURNER, D.; FOX, D. , Fundamentals of Air
Pollution – Academic Press,1984.
FILAYSON-PITTS, B. J.; PITTS, J. N. Chemistry of the upper and lower
atmosphere – Academic Press, 2000.