Exemplo de Estudo da
Dispersão de Poluentes para fontes Industriais
2
1. POLUIÇÃO ATMOSFÉRICA
Considera-se poluente atmosférico qualquer substância presente no ar que pela sua
concentração possa torná-lo impróprio, nocivo ou ofensivo à saúde, inconveniente ao
bem estar público, danoso aos materiais, à fauna e à flora ou prejudicial à segurança.
A poluição atmosférica distingue-se de outros tipos de poluição porque uma vez emitido
para atmosfera ocorre um processo irreversível deste poluente. Numa zona urbana, a
exposição da população aos poluentes atmosféricos é um parâmetro difícil de avaliar,
dada a multiplicidade de micro-ambientes freqüentados diariamente pelos cidadãos e a
variabilidade das concentrações de poluentes no ambiente exterior e interior dos edifícios
(Cerqueira,2000).
Os poluentes atmosféricos classificam-se em dois grandes grupos: poluentes primários e
poluentes secundários (Seinfield, 1998). Os poluentes primários são emitidos diretamente
pelas fontes emissoras e são exemplo o monóxido de carbono, o dióxido de enxofre, NOx
entre outros. Estes poluentes podem, na baixa atmosfera, sofrer transformações e reações
fotoquímicas dando origem a poluentes denominados secundários. Dado que a formação
de poluentes secundários, tais como o ozônio, necessita-se de um certo tempo, e ocorrem
à medida que as massas de ar se deslocam, com isso é normal que concentrações
elevadas destes poluentes atinjam áreas mais afastadas das fontes de emissão que os
poluentes primários(Lyons,1990 e Seinfeld,1986).
Os poluentes primários, depois de emitidos para a atmosfera passam a estar submetidos a
processos complexos de transporte, mistura e transformação química, que dão origem a
uma distribuição variável das suas concentrações na atmosfera, tanto no espaço como no
tempo. Basicamente, a distribuição das concentrações de poluentes na atmosfera
dependem das condições de emissão e das condições meteorológicas, podendo alguns
poluentes ser transportados a grandes distâncias antes de atingirem o nível do solo
(Elsom,1989).
3
Figura 1.1 Ilustração dos efeitos relativos aos poluentes primários e secundários.
Os efeitos da exposição dos receptores (seres vivos) dependem essencialmente das
concentrações dos poluentes e do tempo de exposição podendo, por exemplo, exposições
prolongadas a concentrações baixas de poluentes atmosféricos serem mais nocivas do que
exposições de curta duração a concentrações elevadas. Existem, ainda fatores de
sensibilidade nos indivíduos que determinam a maior ou menor severidade dos efeitos,
tais como, idade, estado nutricional, condição física ou mesmo predisposições genéticas,
o que torna necessária a avaliação para diferentes grupos de risco. Os poluentes
atmosféricos podem ser particularmente nocivos para crianças, idosos, grávidas e
indivíduos que sofram de problemas respiratórios e cardíacos (Cerqueira,2000).
No que diz respeito as quantidades inaladas e ao tempo de exposição, podem distinguir-se
dois tipos de efeitos: agudos e crônicos. Para cada uma das categorias a resposta
fisiológica dos seres vivos varia entre o simples desconforto e o aparecimento de doenças
que por vezes podem conduzir à morte. Exposições prolongadas a pequenas quantidades
inaladas provocam efeitos crônicos e exposições de curta duração a doses elevadas
provocam intoxicações agudas. Também a exposição em simultâneo a um conjunto de
poluentes, pode evidenciar os seus efeitos e aumentar as dificuldades de avaliação dos
mesmos (Cerqueira,2000).
Quando se determina a concentração ao nível do solo de um certo poluente na atmosfera,
mede-se o grau de exposição dos receptores (seres vivos e materiais diversos) como
4
resultado final do processo de lançamento deste poluente na atmosfera, desde suas fontes
de emissão, suas interações na atmosfera físicas (diluição) e químicas (reações)
(Seinfeld,1986).
Portanto o sistema pode ser visualizado como ilustra a figura 1.2:
mistura c / ar
Fontes Emissoras → Poluentes → Atmosfera →transforma
ções
→ receptores
físicas e químicas
Figura 1.2 Esquema do problema de Poluição do Ar (Seinfeld, 1975).
Os poluentes principais e mais comumente medidos são os que servem como indicadores
de qualidade do ar, tais como dióxido de enxofre (SO2), material particulado (MP),
monóxido de carbono (CO), ozônio (O3), hidrocarbonetos totais e óxido de nitrogênio
(NOx).
No caso das industrias de fertilizantes localizadas em Rio Grande os principal poluente
emitidos são material particulado e fluoretos, já a COPESUL os principais são dióxido de
nitrogênio, material particulado e dioxido de enxofre, através dos resultados e possivel
observar que as concentrações de Nox, em geral são muito elevadas.
As principais características destes poluentes estão descritas a seguir:
MATERIAL PARTICULADO
As partículas presentes na atmosfera são provenientes de fontes naturais, como vulcões,
aerossóis marinhos e a ação do vento sobre o solo, e de outras de caráter antropogênico,
tais como a queima de combustíveis fósseis, processos industriais e tráfego rodoviário.
As partículas presentes na atmosfera são normalmente designadas pelo método através do
qual são medidas. Nos últimos anos foi dedicada especial atenção aos efeitos das
partículas e portanto as medições tradicionais de Partículas Totais em Suspensão (PTS)
têm vindo a ser substituídas pela medição da fração PM10 (partículas com um diâmetro
5
aerodinâmico inferior a 10 µm), dado serem estas as partículas que representam um
maior risco para a saúde(Elsom,1989;Seinfeld,1986).
O material particulado ou aerossol atmosférico é constituído pelas partículas sólidas e
líquidas em suspensão na atmosfera. As partículas inaláveis(PM10) são definidas como
partículas com diâmetro aerodinâmico menor que 10 µm, estas dividem-se em partículas
grossas inaláveis com diâmetro aerodinâmico entre 2 e 10 µm e as partículas finas com
diâmetro aerodinâmico menor que 2 µm(Seinfeld,1986).
Estudos recentes têm demonstrado a existência de correlações entre as variações dos
níveis diários de PM10, produzidas por diversas fontes e os efeitos nocivos à saúde
humana. Em muitas cidades as PM10 são consideradas como um dos poluentes que
causam maiores preocupações, estando a sua ação relacionada com todos os tipos de
problemas de saúde, desde a irritação nasal, tosse, até à bronquite, asma e mesmo a
morte(Cerqueira,2000).
A fração mais fina das PM10 ( 0,5µm a 1,0µm) pode ter efeitos muito grave para a saúde,
uma vez que este tipo de partícula pode penetrar profundamente nos pulmões e atingir os
alvéolos pulmonares, provocando dificuldades respiratórias e por vezes danos
permanentes. As partículas desta dimensão penetram facilmente no interior dos edifícios
(Elsom,1989;Seinfeld,1986).
Partículas com diâmetro inferior a 1 µm, podem permanecer em suspensão na atmosfera
durante semanas e serem transportadas ao longo de centenas ou milhares de quilômetros,
enquanto que partículas maiores que 2,5 µm, são removidas no período de algumas horas
por precipitação e sedimentação. As dimensões das partículas finas, principalmente das
partículas emitidas pelos veículos a diesel, são da ordem de grandeza do comprimento de
onda da luz visível podendo, por este motivo, reduzir sensivelmente a visibilidade.
A capacidade do material particulado em aumentar os efeitos fisiológicos dos gases
presentes no ar é um dos aspectos mais importantes a ser considerado. Os efeitos de uma
mistura de material particulado e dióxido de enxofre, por exemplo, são mais acentuados
do que os provocados na presença individualizada de cada um deles. Além disso,
pequenas partículas podem absorver o dióxido de enxofre do ar e, com água (umidade do
ar) formam partículas contendo ácido, o que irrita o sistema respiratório e pode danificar
as células que protegem o sistema.
6
DIÓXIDO DE ENXOFRE
O enxofre libertado na queima de combustíveis combina-se com o oxigênio do ar e dá
origem ao SO2 que, após oxidação, pode ser transformado em trióxido de enxofre. Na
presença da umidade do ar este composto dá origem ao ácido sulfúrico e respectivos sais,
contribuindo, deste modo, para a formação de chuvas ácidas, responsáveis pela
acidificação das águas e dos solos ,como mostra a figura 1.3 e pela ocorrência de lesões
nas plantas.
Figura 1.3 Deposição Ácida devido a emissões de SO2.
O dióxido de enxofre (SO2) é um gás incolor, muito solúvel na água, que pode ocorrer
naturalmente na atmosfera, principalmente devido as atividades vulcânicas.
O SO2 de origem antropogênica, é um poluente primário. Resulta essencialmente da
queima de combustíveis fósseis, nomeadamente no setor da produção de energia, e de
7
diversos processos industriais, podendo também ser emitido em pequenas quantidades
por exemplo em veículos a diesel.
O SO2 é um gás irritante para as mucosas dos olhos e vias respiratórias, podendo ter, em
concentrações elevadas, efeitos agudos e crônicos na saúde humana, especialmente ao
nível do aparelho respiratório. O dióxido de enxofre pode igualmente agravar os
problemas cardiovasculares devido ao seu impacto na função respiratória. A presença
simultânea na atmosfera de dióxido de enxofre e partículas pode evidenciar ou agravar os
efeitos de doenças respiratórias crônicas ou aumentar o risco de doenças respiratórias
agudas (Seinfield,1998).
Concentrações elevadas de SO2 podem provocar alterações nos processos metabólicos
das plantas, das quais se destacam a redução da taxa de crescimento e da taxa
fotossintética, especialmente quando combinadas com determinadas condições adversas
como as baixas temperaturas. Entre outros efeitos mais facilmente observáveis destacamse o aparecimento de necroses, bem como o aumento da sensibilidade ao gelo e aos
parasitas. A sensibilidade dos diferentes tipos de plantas é muito variável, sendo os
líquenes os mais susceptíveis.
A deposição seca e úmida do SO2 e de aerossóis sulfurados sobre as edificações e
materiais de construção provocam a sua corrosão e aceleram os processos naturais de
envelhecimento e de degradação (Estrada,1993).
MONÓXIDO DE CARBONO
Os efeitos da exposição dos seres humanos ao monóxido de carbono são associados à
capacidade de transporte de oxigênio pelo sangue. O monóxido de carbono compete
como o oxigênio na combinação com a hemoglobina do sangue, uma vez que a afinidade
da hemoglobina pelo monóxido de carbono é cerca de 210 vezes maior do que pelo
oxigênio. Quando uma molécula de hemoglobina recebe uma molécula de monóxido de
carbono forma-se a carboxihemoglobina, esta diminui a capacidade do sangue de
transportar oxigênio aos tecidos do corpo.
Os sintomas da exposição ao monóxido de carbono dependem da quantidade de
hemoglobina combinada com monóxido de carbono. Tem sido demonstrado
8
experimentalmente que baixos níveis de carboxihemoglobina já podem causar
diminuição na capacidade de estimar intervalos de tempo e podem diminuir os reflexos e
a acuidade visual da pessoa exposta.
O efeito da intoxicação por CO é semelhante ao da anemia ou hipoxia. A maior parte das
exposições a baixas concentrações de CO produz efeitos sobre o sistema nervoso central.
Uma possível explicação para isso é a redução do suprimento de oxigênio para o cérebro.
Acima de 1000 ppm o CO é altamente tóxico, podendo ser responsável por ataques
cardíacos e elevada taxa de mortalidade, especialmente em áreas metropolitanas, onde o
CO é abundante. Em condições de exposição aguda, pode originar a morte.
Os altos níveis de concentração de CO encontrados em ambientes de cidades altamente
poluídas estão associados com menor peso de recém-nascidos e aumento da taxa de
mortalidade de crianças.
A principal razão para o controle das emissões de CO está na proteção da saúde das
crianças em gestação, dos recém-nascidos, dos idosos e enfermos.
1.1 A QUALIDADE DO AR
A qualidade do ar de uma região é influenciada diretamente pelos níveis de poluição
atmosférica, os quais estão vinculados a um complexo sistema de fontes emissoras
estacionárias (indústrias, queima de lixo, emissões naturais, etc.) e móveis (veículos
automotores, aviões, trens, etc.). A magnitude do lançamento dessas emissões, seu
transporte e diluição na atmosfera, determinam o estado atual da qualidade do ar
atmosférico.
Um poluente pode ser definido como qualquer substância que esteja no ar, em
concentrações altas o suficiente para produzirem efeitos mensuráveis e danosos em seres
humanos, animais, plantas ou materiais. O poluente pode ser tanto de origem
antropogênica, como proveniente de emissões naturais devido à decomposição
microbiana e de erupções vulcânicas, entre outras fontes(Gonçalves,1997).
É considerado poluente atmosférico qualquer forma de matéria ou energia com
intensidade e em quantidade, concentração, tempo ou característica em desacordo com os
níveis estabelecidos, e que tornem ou possam tornar o ar:
9
•
Impróprio, nocivo ou ofensivo à saúde;
•
Inconveniente ao bem-estar público;
•
Danoso aos materiais, à fauna e flora;
•
Prejudicial à segurança, ao uso e gozo da propriedade a às atividades normais da
comunidade.
Segundo Lyons(1990) e Seinfeld(1986) as substâncias usualmente consideradas
poluentes do ar podem ser classificadas como segue:
•
Material Particulado/Partículas em Suspensão: mistura de compostos no estado sólido
ou líquido;
•
Compostos de enxofre: óxidos (SO2, SO3), gás sulfídrico (H2S), sulfatos (SO4 -2);
•
Monóxidos de carbono;
•
Compostos de nitrogênio (NO, NO2), amônia (NH3), ácido nítrico (HNO3);
•
Compostos halogenados: ácido clorídrico (HCl), ácido fluorídrico (HF), cloretos,
fluoretos;
•
Compostos orgânicos: hidrocarbonetos, álcoois, aldeídos, cetonas, ácidos orgânicos.
Na tabela 1.1 verificamos os principais poluentes atmosféricos gerados por diversos tipos
de fontes antropogênicas e naturais de poluição do ar.
A resolução CONAMA 03 de 28/06/90, com base no PRONAR, estabelece em nível
nacional os padrões de qualidade do ar em termos de Partículas Totais em Suspensão
(PTS), Fumaça, Partículas Inaláveis (PI ou PM-10), Dióxido
de Enxofre (SO2),
Monóxido de Carbono (CO), Ozônio (O3) e Dióxido de Nitrogênio (NO2), todos
indicadores de qualidade do ar consagrados universalmente, em função da sua maior
freqüência de ocorrência e aos efeitos adversos que causam no homem e no meio
ambiente.
10
Tabela 1.1 Relação dos principais poluentes atmosféricos conforme a CETESB,1994.
Principais Poluentes Atmosféricos
Fontes
Combustão
Poluentes
Material Particulado
Òxidos de enxofre, monóxido de carbono, óxidos de nitrogênio,
hidrocarbonetos
Processos Industriais
Material Particulado
Òxidos de enxofre, gás sulfídrico, mercaptanas, fluoretos, ácido
clorídrico, óxidos de nitrogênio, hidrocarbonetos...
Queima de Resíduos Sólidos
Material Particulado
Òxidos de enxofre, ácido clorídrico, óxidos de nitrogênio,
hidrocarbonetos
Veículos Automotores,
Material Particulado
Motocicletas, Locomotivas,
Aviões
Monóxido de carbono, óxidos de enxofre, óxidos de nitrogênio,
hidrocarbonetos, aldeídos, ácidos orgânicos...
Naturais
Material Particulado
Dióxido de enxofre, gás sulfídrico, monóxido de carbono, óxidos
de nitrogênio, hidrocarbonetos...
Reações Químicas na
Ozônio, aldeídos, ácidos orgânicos, nitratos orgânicos...
Atmosfera
Na tabela 1.2 verificamos os padrões nacionais primários e secundários de qualidade do
ar fixados na resolução CONAMA nº 3 de 28/06/90. Os valores de concentração máxima
não devem ser excedidos mais de uma vez por ano(Feema, 1992). A mesma resolução
estabeleceu os critérios para episódios agudos de poluição do ar descritos na tabela 2.3.
11
Tabela 1.2 Padrões Nacionais de Qualidade do Ar conforme a resolução CONAMA n 3
de 28/06/90.
Padrões nacionais de qualidade do ar
(Resolução CONAMA nº 3 de 28/06/90)
Poluentes
Padrão Primário
Padrão
Tempo de
µg/m3
Secundário
Amostragem
Métodos de medição
µg/m3
Partículas totais 240*(c)
150(c)
24 horas
Amostradores de grandes
em suspensão 80**
60
anual (a)
volumes
(Hi - Vol)
Dióxido de
385 *(c) ((365))
100(c)
24 horas
Pararrosanílina ou
enxofre
80***
40
anual (b)
Pararosanílina
Monóxido de
40.000 (35ppm):*(c)
40.000 (c)
1 hora
Infravermelho não
10.000 (c)
8 horas
dispersivo
##
carbono
10.000(9ppm):
(c)
Ozônio
160 # (c)
160 (c)
1 hora
Quimiluminescência
Fumaça
150(c)
100(c)
24 horas
refletância
60
40
anual(b)
Partículas
150 *(c)
150(c)
24 horas
Amostrador de
inaláveis
50 ***
50
anual(b)
particulados finos e
grossos
Separação
inercial/filtração
#
Dióxido de
320
nitrogênio @
100***
190
1 hora
100
anual (b)
Quimiluminescência
12
#
concentração máxima em 1 hora
##
concentração máxima em 8 horas
(a)média geométrica
(b)Média aritmética
*concentração máxima diária
(c)não deve ser excedido
**concentração média geométrica anual
mais do que uma vez por
***concentração média aritmética anual
ano.
@
Apenas este parâmetro pode ser excedido mais de uma vez ao ano
Tabela 1.3 Critérios para episódios agudos de Poluição do Ar, CETESB, 1994.
Critérios para Episódios agudos de poluição do ar
Parâmetros
Níveis
Atenção
Alerta
Dióxido de enxôfre
800
1600
(µg/m3) - 24 horas
Partículas totais em Suspensão
375
625
(µg/m3) - 24 horas
Monóxido de Carbono
15
30
(ppm) - 8 horas
Ozônio
200
800
(µg/m3) - 1 hora
Partículas Inaláveis
250
420
(µg/m3) - 24 horas
Dióxido de Nitrogênio
1130
2260
(µg/m3) - 1 hora
Emergência
2100
875
40
1000
500
3000
Além destes, existem outros poluentes atmosféricos classificados como perigosos, em
razão de seu elevado potencial toxicológico. A legislação dos Estados Unidos registra
mais de 300 substâncias tóxicas que, se lançadas na atmosfera, seus responsáveis devem
informar a população as quantidades anualmente emitidas(Ccoyllo, 1998).
Constituem exemplos destes poluentes perigosos: chumbo, benzeno, tolueno, xileno,
materiais orgânicos policíclicos, cromo, cádmio, etc. Em geral, estas substâncias não são
abundantes na atmosfera onde exista desenvolvimento humano, mas podem estar mais ou
menos presentes em áreas próximas de tipologias implantadas de processos produtivos e
em conseqüência da densidade da frota circulante de veículos automotores, em uma
determinada região (Ccoyllo, 1998).
13
As emissões de poluentes atmosféricos pelas fontes estacionárias e móveis de uma área
ou região, associadas às características topográficas e meteorológicas, determinam os
níveis de qualidade do ar da mesma área ou região o que, em conseqüência, determina os
possíveis efeitos adversos da poluição do ar sobre os receptores, que podem ser o homem,
os animais, as plantas e os materiais em geral (Ccoyllo, 1998).
2. DESCRIÇÃO DO PROCESSO DE DIFUSÃO
O problema de difusão atmosférica, do ponto de vista físico e matemático, é descrever o
papel desempenhado pela atmosfera na redistribuição e diluição dos gases e partículas
que resultam de atividades naturais e fontes antropogênicas.
A alta capacidade dispersiva da atmosfera resulta de sua natureza
turbulenta.
Turbulência é uma propriedade de fácil identificação mas de difícil definição, composta
de movimentos irregulares e caóticos que estão presente em todos os escoamentos de
aplicações práticas. De fato, a maioria dos problemas meteorológicos relacionados com
regiões industriais e populosas estão governados pelo problema de difusão turbulenta.
Do ponto de vista técnico pode-se afirmar que a turbulência atmosférica é a característica
principal da Camada Limite Planetária (CLP). A CLP pode ser definida como "a parte da
troposfera que é diretamente influenciada pela superfície terrestre e responde aos
forçantes superficiais com uma escala de tempo inferior a uma hora".
A turbulência é diversas ordens de grandeza mais efetiva para o transporte de qualquer
quantidade física (calor, momentum, contaminante) do que a viscosidade molecular e é
ela a responsável pela resposta da CLP aos forçantes superficiais.
O problema da difusão turbulenta na atmosfera não foi ainda formulado de forma única
no sentido de que não existe um único modelo físico capaz de explicar todos os aspectos
relevantes. Operacionalmente existem duas abordagens a saber: a Teoria do Transporte
por Gradiente (TTG) e a Teoria Estatística de Difusão (TED). A TTG afirma que o
transporte em uma região da atmosfera é proporcional ao gradiente local da concentração
e, neste sentido, é uma teoria euleriana. A TED considera o movimento individual das
partículas do fluído e, neste sentido, é uma teoria lagrangeana.
14
2.1) TEORIA DO TRANSPORTE POR GRADIENTE
A formulação da Teoria do Transporte por Gradiente foi inicialmente estabelecida por
Adolph Fick, um fisiologista alemão, em 1855. Para o caso unidimensional
matematicamente se escreve:
dC
∂ 2C
=K 2
dt
∂x
(1)
onde C é a concentração do material emitido para a atmosfera e K é o coeficiente de
difusão, considerado, neste caso, constante. As variávies t
e
x representam
respectivamente o tempo e a direção espacial considerada. A expressão (1) acima pode
ser, facilmente, generalizada para o caso tridimensional e para o caso em que o
coeficiente de difusividade não é constante. Por tratar-se de uma equação diferencial a
solução de (1) requer a especificação de condições iniciais e de contorno, isto é, qual é a
concentração inicial do poluente e como é a concentração do poluente nos limites de
interesse do problema. A equação (1) acima, contudo, é uma simplificação demasiada de
um problema prático. A simplificação mais óbvia advém do fato de que ela não considera
o movimento do fluído, ou seja, e válida para um fluído em repouso. Na atmosfera,
entretanto, temos não apenas os movimentos das massas de ar, que são responsáveis pela
advecção do material, mas também os movimentos turbulentos, que são responsáveis pela
difusão do material.
Assim, a generalização da lei de Fick para o transporte de poluentes atmosféricos, do
ponto de vista euleriano, é dado pela conhecida equação de difusão-advecção:
∂C
∂C
∂C ∂
∂C
∂
∂C
+u
+v
= ( Kz
) + (Ky
)+Q
∂t
∂x
∂y ∂z
∂z
∂y
∂y
(2)
onde u e v são as componentes da velocidade do vento nas direções longitudinal e lateral
respectivamente, e Q a intensidade da fonte, usualmente em gramas/segundos. Na
verdade, a equação acima, embora seja uma generalização da lei de Fick, constitui-se em
uma das leis básicas da natureza, ou seja: a Lei de Conservação. Ela estabelece que o
fluxo de qualquer poluente sobre uma superfície fechada é igual a variação
(acréscimo/decréscimo) deste mesmo poluente no volume limitado por esta superfície. A
chave para a solução da equação acima reside nos coeficientes difusivos. Estes,
15
diferentemente, dos processos microscópicos, são uma propriedade do escoamento, sendo
uma função do local, tempo, distância da fonte, época do ano, etc. De fato eles são
dependentes da Física contida na Camada Limite Planetária, isto é, de como esta camada
evolui durante o dia, em diferentes épocas do ano, em diferentes locais. Por este motivo,
o conhecimento preciso da CLP possibilita uma melhor descrição dos coeficientes. É
exatamente este conhecimento que distingue os diferentes tipos de modelos de difusão
atmosférica, organizando-se estes em uma hierarquia de modelos.
2.2) O MODELO DE PLUMA GAUSSIANA
A solução mais utilizável da equação (2) é o conhecido Modelo de Pluma Gaussiana em
que o coeficiente de difusividade é independente da altura acima do solo e, que
matematicamente é expresso como
C( x , y , z) =
Q
y2 
( z − h) 2
( z + h) 2 
exp( − 2 ) exp −
+
exp
−

(2π )uσ y σ z
2σ y 
2σ 2z
2σ 2z 
(3)
Na equação (3) os sigmas representam “a abertura da pluma de contaminantes” e estão
relacionados com os coeficientes de difusão. A concentração de contaminantes
C( x , y , z) é
expressa em unidades de massa por volume (ex.: microgramas/metro
cúbico). A altura da fonte, na equação (3) é representada por h . Observa-se que a
equação (3), como solução de (2) assume que a direção do vento é ao longo da direção
longitudinal e que não existe deposição de contaminantes no solo.
A relação matemática entre os desvios padrões da concentração (σ ) com os coeficientes
de difusão é dada por:
σ 2y = 2 K y t
(4)
e
σ 2z = 2 K z t
(5)
onde t é o tempo de viagem seguido pelas partículas do poluente.
A combinação da equação (3) com as relações (4) e (5) constitui a base do modelo de
dispersão mais empregado: o Modelo de Pluma Gaussiana.
16
2.3) ESTIMATIVA DOS COEFICIENTES DE DIFUSÃO
Para aplicações práticas do MPG deve-se determinar valores numéricos para os
coeficientes de difusão. Várias expressões teóricas e empíricas foram derivadas com este
objetivo.
Na ausência de medidas de turbulência deve-se, em primeiro lugar, estimar as condições
de estabilidade da atmosfera em função de medidas e observações meteorológicas
rotineiras. Um esquema simples, para este propósito, foi sugerido por Pasquill [7] e mais
tarde modificado por Turner [8]. Este esquema classifica o estado turbulento da
atmosfera em seis tipos diferentes, que são determinados a partir do vento na superfície,
insolação e cobertura de nuvens. As seis classes variam de A (fortemente instável é
propícia para a dispersão) a F (moderadamente estável e não propícia para a dispersão).
A tabela a seguir contém a classificação proposta por Pasquill.
TABELA.2. 1 - CLASSIFICAÇÃO DE PASQUILL-GIFFORD PARA A CLASSE DE
TURBULÊNCIA DE ACORDO COM AS CONDIÇÕES METEOROLÓGICAS.
A - Extremamente instável; C - Levemente instável; E - Suavemente estável;
B - Moderadamente instável; D - Condiçõa neutra; F - Moderadamente estável;
Velocidade do
tempo de
tempo de
tempo de
condições noturnas,
condições
vento a
insolação
insolação no
insolação
fina cobertura de
noturnas <3/8 de
superfície
no dia
dia
no dia
nuvens ou >4/8 de
cobertura por
(m/s)
FORTE
MODERADA
FRACA
nuvens baixas
nuvens
<2
A
A-B
B
2–3
A-B
B
C
E
F
3–4
B
B-C
C
D
E
4–6
C
C-D
D
D
D
>6
C
D
D
D
D
17
3. DESCRIÇÃO DO MODELO DE DISPERSAO
O modelo ISCST é um modelo de dispersão tipo pluma gaussiana que pode ser utilizado
para descrever a dispersão de poluentes de um complexo industrial com várias
modalidades de fontes: área, volume e linha.
Combina e aprimora vários algorítmos de modelos de dispersão, com o objetivo de
considerar outras fontes de poluição e não somente emissões de chaminés isoladas, como
por exemplo: emissões fugitivas, efeitos aerodinâmicos em torno das chaminés,
sedimentação gravitacional e deposição seca.
O ISCST é projetado para calcular concentrações, ou valores de deposição seca e úmida,
para períodos de tempo de 1, 2, 3, 4, 6, 8, 12 e 24 horas. Pode calcular também
concentrações anuais se utilizados dados seqüenciais para um ano inteiro, calcula ainda
as concentrações em cada ponto do receptor, como tem tratamento para terreno pode ser
aplicado tanto para terrenos planos como terrenos irregulares. A figura (10) mostra os
ajustamentos feitos pelo modelo ISCST para considerar a topografia. A modificação do
terreno pode ser feita através da seguinte formulação:
H ′ = H + ZS − Z − RHT ,
onde:
H ′ - é a altura de estabilização da pluma;
H - é a altura efetiva da chaminé;
Zs - é a altura da base da chaminé em relação ao nível do mar;
Z - é a altura do terreno no receptor em relação ao nível do mar;
RHT - é a altura do receptor acima da altura do terreno;
18
Figura 3.1 - Ilustração do comportamento da pluma num terreno complexo, assumido
pelo modelo ISC.
4. SIMULAÇÕES DA DISPERSÃO DE POLUENTES
Dois cenários foram selecionados para as simulações da dispersão de poluentes. Estes
foram escolhidos com base em dados obtidos através dos dados da estação meteorológica
do aeroporto de Porto Alegre, site www.inmet.gov.br.
1) Cenário 1: Cenário Convectivo é o mais propício a dispersão de contaminantes e
caracteriza-se por uma turbulência muito intensa na Camada Limite Planetária (CLP).
A CLP pode alcançar, na região a ser estudada aproximadamente 800 metros no
início da tarde (Freitas, 1999).
2) Cenário Crítico, ocorre geralmente em dias de inverno, esta condição representa
uma atmosfera onde altas concentrações superficiais são observadas. O cenário crítico
pretende predizer as máximas concentrações superficiais de poluentes quando
condições atmosféricas anômalas se fizerem presentes, neste caso a altura da camada
limite planetária foi da ordem de 200 metros.
19
De maneira geral pode-se afirmar que a circulação atmosférica no estado do Rio Grande
do Sul é afetada por dois fatores de grande escala: o anticiclone Polar e o anticiclone
Atlântico. O primeiro governa as entradas dos sistemas frontais, enquanto o segundo é
responsável por aquilo que é convencionalmente chamado de ‘tempo bom’. Na presença
do anticiclone do Atlântico a circulação atmosférica em uma certa região é resultante das
características locais. Assim, neste caso, a proximidade do Oceano Atlântico a leste, a
presença da Lagoa dos Patos ao sul e a Serra do Mar ao Norte são os fatores geográficos
que influenciam o ‘caminho dos ventos’ na RMPA. Entretanto, o efeito antropogênico
resultante da existência das próprias cidades, que cria uma ilha artificial de calor, também
influencia a circulação do ar e todos as grandezas dinâmicas e termodinâmicas
importantes na dispersão de poluentes. Baseando-se neste conhecimento científico é que
os cenários adotados neste texto foram selecionados.
Ao estabelecer as condições básicas para avaliar o impacto dos poluentes atmosféricos os
meteorologistas referem-se a dois parâmetros fundamentais: a intensidade da turbulência
e a altura da Camada Limite Atmosférica. Embora estes dois parâmetros estejam
relacionados eles são considerados individualmente na modelagem da dispersão de
contaminantes.
O cenário, aqui referenciado como ‘convectivo’, é o mais propício para a dispersão de
contaminantes. Ele é caracterizado por uma turbulência muito intensa na Camada Limite
Planetária a qual pode alcançar, na RMPA, quase um quilômetros no início da tarde.
Estas condições são comuns durante o verão. Diferentemente, o cenário chamado de
‘critico’, distingue-se do anterior por possuir uma baixa intensidade da turbulência e por
uma Camada Limite com pequena extensão vertical. Este cenário é típico de inverno e
nele as concentrações de contaminantes são mais elevadas. Neste cenário espera-se que
altas concentrações superficiais sejam observadas. O cenário crítico objetiva predizer as
máximas concentrações superficiais de poluentes quando condições atmosféricas
anômalas se fizerem presentes.
Em todas as simulações variáveis meteorológicas realistas são consideradas.
As simulações necessitam ainda dados de fonte como: taxa de emissão, altura de emissão,
diâmetro da chaminé, temperatura e velocidade de exaustão dos gases e localização das
fontes.
20
4.2 RESULTADOS
Os resultados apresentados nesta seção são divididos como segue:
-
Avaliação das concentrações superficiais para fontes de emissão ficticias, para os
cenários convectivo e critico;
Todas as simulações foram realizadas para uma área que cobre 20 quilômetros na direção
leste-oeste por 20 quilômetros na direção norte-sul.
As figuras mostradas compreendem, em primeiro lugar, os máximos horários de
concentração de NOx, como seus valores em microgramas por metro cúbico, a seguir as
concentrações medias de 24 horas para SO2.
21
Isolinhas de Concentração de NOx, microg/m3
Valores Maximos de 1 hora
Cenario Convectivo
20000
15000
101
96
91
86
81
76
71
66
61
56
51
46
41
36
31
26
21
16
11
6
1
10000
Sul - Norte
5000
0
-5000
-10000
-15000
-20000
-20000
-15000
-10000
-5000
0
Oeste - Leste
Figura 4.1 Condição Convectivo/ fonte fictícia////
5000
10000
15000
20000
22
Isolinhas de Concentração de SO2, microg/m3
Valores Maximos de 24 horas
Cenario Convectivo
20000
15000
51
10000
46
41
Sul - Norte
5000
36
31
0
26
21
-5000
16
11
-10000
6
1
-15000
-20000
-20000
-15000
-10000
-5000
Figura 4.2 Condição Convectivo/SO2
0
Oeste - Leste
5000
10000
15000
20000
23
Figura 4.3 Condição Critica//NOx
24
Isolinhas de Concentração de SO2, microg/m3
Valores Maximos de 24 horas
Cenario Critico
20000
15000
66
61
10000
56
51
Sul - Norte
5000
46
41
36
0
31
26
21
-5000
16
11
-10000
6
1
-15000
-20000
-20000
-15000
-10000
-5000
0
Oeste - Leste
Figura 4.4 Condição Critica/SO2
5000
10000
15000
20000
25
As figuras a seguir ilustram os valores máximos de concentração para o período de uma
hora de NO x e as medias de 24 horas.
Valores da Simulação dos Máximos de Poluentes - Dados FEPAM
250
microg/m3
200
150
100
50
0
MP24h
SO24h
NOx1h
Poluentes
Cenário Crít ico
Cenário Convect ivo
Figura 4.5 Valores máximos obtidos através das simulações com o modelo ISCST,
considerando os cenarios critico e convectivo.
26
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