Controle da Poluição Atmosférica

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1 Universidade do Sul de Santa Catarina Controle da Poluição Atmosférica Disciplina na modalidade a distância Palhoça UnisulVirtual 2011

2 Créditos Universidade do Sul de Santa Catarina Campus UnisulVirtual Educação Superior a Distância Avenida dos Lagos, 41 Cidade Universitária Pedra Branca Palhoça SC Fone/fax: (48) e cursovirtual@unisul.br Site: Reitor Ailton Nazareno Soares Vice-Reitor Sebastião Salésio Heerdt Chefe de Gabinete da Reitoria Willian Corrêa Máximo Pró-Reitor de Ensino e Pró-Reitor de Pesquisa, Pós-Graduação e Inovação Mauri Luiz Heerdt Pró-Reitora de Administração Acadêmica Miriam de Fátima Bora Rosa Pró-Reitor de Desenvolvimento e Inovação Institucional Valter Alves Schmitz Neto Diretora do Campus Universitário de Tubarão Milene Pacheco Kindermann Diretor do Campus Universitário da Grande Florianópolis Hércules Nunes de Araújo Secretária-Geral de Ensino Solange Antunes de Souza Diretora do Campus Universitário UnisulVirtual Jucimara Roesler Equipe UnisulVirtual Diretor Adjunto Moacir Heerdt Secretaria Executiva e Cerimonial Jackson Schuelter Wiggers (Coord.) Marcelo Fraiberg Machado Tenille Catarina Assessoria de Assuntos Internacionais Murilo Matos Mendonça Assessoria de Relação com Poder Público e Forças Armadas Adenir Siqueira Viana Walter Félix Cardoso Junior Assessoria DAD - Disciplinas a Distância Patrícia da Silva Meneghel (Coord.) Carlos Alberto Areias Cláudia Berh V. da Silva Conceição Aparecida Kindermann Luiz Fernando Meneghel Renata Souza de A. Subtil Assessoria de Inovação e Qualidade de EAD Denia Falcão de Bittencourt (Coord.) Andrea Ouriques Balbinot Carmen Maria Cipriani Pandini Assessoria de Tecnologia Osmar de Oliveira Braz Júnior (Coord.) Felipe Fernandes Felipe Jacson de Freitas Jefferson Amorin Oliveira Phelipe Luiz Winter da Silva Priscila da Silva Rodrigo Battistotti Pimpão Tamara Bruna Ferreira da Silva Coordenação Cursos Coordenadores de UNA Diva Marília Flemming Marciel Evangelista Catâneo Roberto Iunskovski Auxiliares de Coordenação Ana Denise Goularte de Souza Camile Martinelli Silveira Fabiana Lange Patricio Tânia Regina Goularte Waltemann Coordenadores Graduação Aloísio José Rodrigues Ana Luísa Mülbert Ana Paula R.Pacheco Artur Beck Neto Bernardino José da Silva Charles Odair Cesconetto da Silva Dilsa Mondardo Diva Marília Flemming Horácio Dutra Mello Itamar Pedro Bevilaqua Jairo Afonso Henkes Janaína Baeta Neves Jorge Alexandre Nogared Cardoso José Carlos da Silva Junior José Gabriel da Silva José Humberto Dias de Toledo Joseane Borges de Miranda Luiz G. Buchmann Figueiredo Marciel Evangelista Catâneo Maria Cristina Schweitzer Veit Maria da Graça Poyer Mauro Faccioni Filho Moacir Fogaça Nélio Herzmann Onei Tadeu Dutra Patrícia Fontanella Roberto Iunskovski Rose Clér Estivalete Beche Vice-Coordenadores Graduação Adriana Santos Rammê Bernardino José da Silva Catia Melissa Silveira Rodrigues Horácio Dutra Mello Jardel Mendes Vieira Joel Irineu Lohn José Carlos Noronha de Oliveira José Gabriel da Silva José Humberto Dias de Toledo Luciana Manfroi Rogério Santos da Costa Rosa Beatriz Madruga Pinheiro Sergio Sell Tatiana Lee Marques Valnei Carlos Denardin Sâmia Mônica Fortunato (Adjunta) Coordenadores Pós-Graduação Aloísio José Rodrigues Anelise Leal Vieira Cubas Bernardino José da Silva Carmen Maria Cipriani Pandini Daniela Ernani Monteiro Will Giovani de Paula Karla Leonora Dayse Nunes Letícia Cristina Bizarro Barbosa Luiz Otávio Botelho Lento Roberto Iunskovski Rodrigo Nunes Lunardelli Rogério Santos da Costa Thiago Coelho Soares Vera Rejane Niedersberg Schuhmacher Gerência Administração Acadêmica Angelita Marçal Flores (Gerente) Fernanda Farias Secretaria de Ensino a Distância Samara Josten Flores (Secretária de Ensino) Giane dos Passos (Secretária Acadêmica) Adenir Soares Júnior Alessandro Alves da Silva Andréa Luci Mandira Cristina Mara Schauffert Djeime Sammer Bortolotti Douglas Silveira Evilym Melo Livramento Fabiano Silva Michels Fabricio Botelho Espíndola Felipe Wronski Henrique Gisele Terezinha Cardoso Ferreira Indyanara Ramos Janaina Conceição Jorge Luiz Vilhar Malaquias Juliana Broering Martins Luana Borges da Silva Luana Tarsila Hellmann Luíza Koing Zumblick Maria José Rossetti Marilene de Fátima Capeleto Patricia A. Pereira de Carvalho Paulo Lisboa Cordeiro Paulo Mauricio Silveira Bubalo Rosângela Mara Siegel Simone Torres de Oliveira Vanessa Pereira Santos Metzker Vanilda Liordina Heerdt Gestão Documental Lamuniê Souza (Coord.) Clair Maria Cardoso Daniel Lucas de Medeiros Jaliza Thizon de Bona Guilherme Henrique Koerich Josiane Leal Marília Locks Fernandes Gerência Administrativa e Financeira Renato André Luz (Gerente) Ana Luise Wehrle Anderson Zandré Prudêncio Daniel Contessa Lisboa Naiara Jeremias da Rocha Rafael Bourdot Back Thais Helena Bonetti Valmir Venício Inácio Gerência de Ensino, Pesquisa e Extensão Janaína Baeta Neves (Gerente) Aracelli Araldi Elaboração de Projeto Carolina Hoeller da Silva Boing Vanderlei Brasil Francielle Arruda Rampelotte Reconhecimento de Curso Maria de Fátima Martins Extensão Maria Cristina Veit (Coord.) Pesquisa Daniela E. M. Will (Coord. PUIP, PUIC, PIBIC) Mauro Faccioni Filho (Coord. Nuvem) Pós-Graduação Anelise Leal Vieira Cubas (Coord.) Biblioteca Salete Cecília e Souza (Coord.) Paula Sanhudo da Silva Marília Ignacio de Espíndola Renan Felipe Cascaes Gestão Docente e Discente Enzo de Oliveira Moreira (Coord.) Capacitação e Assessoria ao Docente Alessandra de Oliveira (Assessoria) Adriana Silveira Alexandre Wagner da Rocha Elaine Cristiane Surian (Capacitação) Elizete De Marco Fabiana Pereira Iris de Souza Barros Juliana Cardoso Esmeraldino Maria Lina Moratelli Prado Simone Zigunovas Tutoria e Suporte Anderson da Silveira (Núcleo Comunicação) Claudia N. Nascimento (Núcleo Norte- Nordeste) Maria Eugênia F. Celeghin (Núcleo Pólos) Andreza Talles Cascais Daniela Cassol Peres Débora Cristina Silveira Ednéia Araujo Alberto (Núcleo Sudeste) Francine Cardoso da Silva Janaina Conceição (Núcleo Sul) Joice de Castro Peres Karla F. Wisniewski Desengrini Kelin Buss Liana Ferreira Luiz Antônio Pires Maria Aparecida Teixeira Mayara de Oliveira Bastos Michael Mattar Patrícia de Souza Amorim Poliana Simao Schenon Souza Preto Gerência de Desenho e Desenvolvimento de Materiais Didáticos Márcia Loch (Gerente) Desenho Educacional Cristina Klipp de Oliveira (Coord. Grad./DAD) Roseli A. Rocha Moterle (Coord. Pós/Ext.) Aline Cassol Daga Aline Pimentel Carmelita Schulze Daniela Siqueira de Menezes Delma Cristiane Morari Eliete de Oliveira Costa Eloísa Machado Seemann Flavia Lumi Matuzawa Geovania Japiassu Martins Isabel Zoldan da Veiga Rambo João Marcos de Souza Alves Leandro Romanó Bamberg Lygia Pereira Lis Airê Fogolari Luiz Henrique Milani Queriquelli Marcelo Tavares de Souza Campos Mariana Aparecida dos Santos Marina Melhado Gomes da Silva Marina Cabeda Egger Moellwald Mirian Elizabet Hahmeyer Collares Elpo Pâmella Rocha Flores da Silva Rafael da Cunha Lara Roberta de Fátima Martins Roseli Aparecida Rocha Moterle Sabrina Bleicher Verônica Ribas Cúrcio Acessibilidade Vanessa de Andrade Manoel (Coord.) Letícia Regiane Da Silva Tobal Mariella Gloria Rodrigues Vanesa Montagna Avaliação da aprendizagem Claudia Gabriela Dreher Jaqueline Cardozo Polla Nágila Cristina Hinckel Sabrina Paula Soares Scaranto Thayanny Aparecida B. da Conceição Gerência de Logística Jeferson Cassiano A. da Costa (Gerente) Logísitca de Materiais Carlos Eduardo D. da Silva (Coord.) Abraao do Nascimento Germano Bruna Maciel Fernando Sardão da Silva Fylippy Margino dos Santos Guilherme Lentz Marlon Eliseu Pereira Pablo Varela da Silveira Rubens Amorim Yslann David Melo Cordeiro Avaliações Presenciais Graciele M. Lindenmayr (Coord.) Ana Paula de Andrade Angelica Cristina Gollo Cristilaine Medeiros Daiana Cristina Bortolotti Delano Pinheiro Gomes Edson Martins Rosa Junior Fernando Steimbach Fernando Oliveira Santos Lisdeise Nunes Felipe Marcelo Ramos Marcio Ventura Osni Jose Seidler Junior Thais Bortolotti Gerência de Marketing Eliza B. Dallanhol Locks (Gerente) Relacionamento com o Mercado Alvaro José Souto Relacionamento com Polos Presenciais Alex Fabiano Wehrle (Coord.) Jeferson Pandolfo Karine Augusta Zanoni Marcia Luz de Oliveira Mayara Pereira Rosa Luciana Tomadão Borguetti Assuntos Jurídicos Bruno Lucion Roso Sheila Cristina Martins Marketing Estratégico Rafael Bavaresco Bongiolo Portal e Comunicação Catia Melissa Silveira Rodrigues Andreia Drewes Luiz Felipe Buchmann Figueiredo Rafael Pessi Gerência de Produção Arthur Emmanuel F. Silveira (Gerente) Francini Ferreira Dias Design Visual Pedro Paulo Alves Teixeira (Coord.) Alberto Regis Elias Alex Sandro Xavier Anne Cristyne Pereira Cristiano Neri Gonçalves Ribeiro Daiana Ferreira Cassanego Davi Pieper Diogo Rafael da Silva Edison Rodrigo Valim Fernanda Fernandes Frederico Trilha Jordana Paula Schulka Marcelo Neri da Silva Nelson Rosa Noemia Souza Mesquita Oberdan Porto Leal Piantino Multimídia Sérgio Giron (Coord.) Dandara Lemos Reynaldo Cleber Magri Fernando Gustav Soares Lima Josué Lange Conferência (e-ola) Carla Fabiana Feltrin Raimundo (Coord.) Bruno Augusto Zunino Gabriel Barbosa Produção Industrial Marcelo Bittencourt (Coord.) Gerência Serviço de Atenção Integral ao Acadêmico Maria Isabel Aragon (Gerente) Ana Paula Batista Detóni André Luiz Portes Carolina Dias Damasceno Cleide Inácio Goulart Seeman Denise Fernandes Francielle Fernandes Holdrin Milet Brandão Jenniffer Camargo Jessica da Silva Bruchado Jonatas Collaço de Souza Juliana Cardoso da Silva Juliana Elen Tizian Kamilla Rosa Mariana Souza Marilene Fátima Capeleto Maurício dos Santos Augusto Maycon de Sousa Candido Monique Napoli Ribeiro Priscilla Geovana Pagani Sabrina Mari Kawano Gonçalves Scheila Cristina Martins Taize Muller Tatiane Crestani Trentin

3 José Gabriel da Silva Controle da Poluição Atmosférica Livro didático Revisão João Gabriel da Silva Design instrucional Ana Cláudia Taú 1ª edição revista Palhoça UnisulVirtual 2011

4 Copyright UnisulVirtual 2011 Nenhuma parte desta publicação pode ser reproduzida por qualquer meio sem a prévia autorização desta instituição. Edição Livro Didático Professor Conteudista José Gabriel da Silva Revisão José Gabriel da Silva Design Instrucional Ana Cláudia Taú Assistente Acadêmico Roberta de Fátima Martins (1ª edição revista) Projeto Gráfico e Capa Equipe UnisulVirtual Diagramação Fernando Roberto Dias Zimmermann Higor Ghisi Luciano Daiana Ferreira Cassanego (1ª edição revista) Revisão Diane Dal Mago S58 Silva, José Gabriel da Controle da poluição atmosférica : livro didático / José Gabriel da Silva ; design instrucional Ana Cláudia Taú ; [assistente acadêmico Roberta de Fátima Martins, Ana Cláudia Taú]. 1. ed. rev. Palhoça : UnisulVirtual, p. : il. ; 28 cm. Inclui bibliografia. 1. Poluição Aspectos ambientais. 2. Ar Poluição. I. Taú, Ana Cláudia. II. Martins, Roberta de Fátima. III. Título. Ficha catalográfica elaborada pela Biblioteca Universitária da Unisul

5 Sumário Apresentação...7 Palavras do professor Plano de estudo UNIDADE 1 - Poluição atmosférica e desenvolvimento social UNIDADE 2 - Poluentes atmosféricos UNIDADE 3 - Meteorologia e poluição atmosférica UNIDADE 4 - Legislação e qualidade do ar UNIDADE 5 - Controle da poluição Para concluir o estudo Referências Sobre o professor conteudista Respostas e comentários das atividades de autoavaliação Anexos Biblioteca Virtual...205

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7 Apresentação Este livro didático corresponde à disciplina Controle da Poluição Atmosférica. O material foi elaborado visando a uma aprendizagem autônoma e aborda conteúdos especialmente selecionados e relacionados à sua área de formação. Ao adotar uma linguagem didática e dialógica, objetivamos facilitar seu estudo a distância, proporcionando condições favoráveis às múltiplas interações e a um aprendizado contextualizado e eficaz. Lembre se que sua caminhada, nesta disciplina, será acompanhada e monitorada constantemente pelo Sistema Tutorial da UnisulVirtual, por isso a distância fica caracterizada somente na modalidade de ensino que você optou para sua formação, pois na relação de aprendizagem professores e instituição estarão sempre conectados com você. Então, sempre que sentir necessidade entre em contato; você tem à disposição diversas ferramentas e canais de acesso tais como: telefone, e mail e o Espaço Unisul Virtual de Aprendizagem, que é o canal mais recomendado, pois tudo o que for enviado e recebido fica registrado para seu maior controle e comodidade. Nossa equipe técnica e pedagógica terá o maior prazer em lhe atender, pois sua aprendizagem é o nosso principal objetivo. Bom estudo e sucesso! Equipe UnisulVirtual 7

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9 Palavras do professor Onde há fumaça, há fogo! Essa frase é muito famosa e pode ter muitos significados, até mesmo no seu sentido literal. Ao observarmos fumaça em qualquer lugar, seja numa chaminé, seja numa queimada, ou mesmo nos escapamentos dos automóveis, ela significa algo: Emissão de poluentes. Poluentes esses que não necessariamente são produtos de queima que produzem fumaça, mas podem ser oriundos de reações químicas ou biológicas, ou mesmo partículas numa nuvem de poeira. Neste livro, entenderemos como os poluentes atmosféricos chegam até o ar que respiramos. Desde as suas características, passando pela sua dispersão na atmosfera, seus padrões de emissão, chegando até o seu controle. Quero contribuir para que você tenha um ótimo estudo e êxito nas suas atividades como Gestor Ambiental! Bom estudo! Professor José Gabriel da Silva

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11 Plano de estudo O plano de estudos visa a orientá lo no desenvolvimento da disciplina. Ele possui elementos que o ajudarão a conhecer o contexto da disciplina e a organizar o seu tempo de estudos. O processo de ensino e aprendizagem na UnisulVirtual leva em conta instrumentos que se articulam e se complementam, portanto, a construção de competências se dá sobre a articulação de metodologias e por meio das diversas formas de ação/mediação. São elementos desse processo: o livro didático; o Espaço UnisulVirtual de Aprendizagem (EVA); as atividades de avaliação (a distância, presenciais e de autoavaliação); o Sistema Tutorial. Ementa Padrões de qualidade do ar. Poluição atmosférica. Transporte e dispersão de poluentes, princípios biológicos, físicos e químicos de tratamentos de ar. Dimensionamento. Equipamentos de amostragem, monitoramento e controle da qualidade do ar. Aplicações de ferramentas informáticas. Projetos de sistemas de controle. Legislação aplicada. Fundamentos econômicos.

12 Universidade do Sul de Santa Catarina Objetivos da disciplina Geral Compreender os principais conceitos ligados a poluição atmosférica e os impactos causados no ambiente. Conhecer os poluentes atmosféricos e sua dinâmica na atmosfera, desde sua emissão, dispersão interações e eliminação. Apresentar propostas para o melhoramento das atitudes sociais em prol da redução do consumo de energias ligadas a emissão de poluentes. Entender os conceitos de qualidade de ar bem como a legislação pertinente. Encontrar soluções para o controle da poluição por meio de equipamentos de controle. Específicos Compreender os conceitos de poluição atmosférica e suas consequências no decorrer do tempo, desde a revolução industrial até dias atuais.capacitar a compreender os aspectos mercadológicos que influenciam na elaboração de uma campanha e prepará lo(a) para utilizar as técnicas publicitárias. Conhecer as principais doenças causadas pela poluição atmosférica. Diferenciar os principais poluentes atmosféricos, suas fontes de emissão e o destino na atmosfera. Identificar as condições atmosféricas e sua relação com a concentração de poluentes na baixa atmosfera. Entender a camada de ozônio e conhecer o Protocolo de Montreal. Entender o efeito estufa e sua relação como aquecimento global. Conhecer a legislação vigente. 12

13 Controle da Poluição Atmosférica Compreender os conceitos de qualidade do ar e a aplicabilidade dos alertas de poluição. Conhecer os equipamentos de controle da poluição atmosférica e estabelecer padrões de controle. Carga horária A carga horária total da disciplina é 60 horas aula. Conteúdo programático/objetivos Veja, a seguir, as unidades que compõem o livro didático desta disciplina e os seus respectivos objetivos. Esses se referem aos resultados que você deverá alcançar ao final de uma etapa de estudo. Os objetivos de cada unidade definem o conjunto de conhecimentos que você deverá possuir para o desenvolvimento de habilidades e competências necessárias à sua formação. Unidades de estudo: 5 Unidade 1 Poluição atmosférica e desenvolvimento social Nesta unidade, você compreenderá porque o tema poluição atmosférica se tornou importante nas discussões ambientais, devido ao seu impacto. Entenderá como, por meio da evolução tecnológica a sociedade ignorou que a emissão de fumaças de indústrias e automóveis poderia ser maléfica para saúde humana e a degradação ambiental. Ainda nesta unidade os conceitos iniciais de poluição serão apresentados, para norteá lo nos seus estudos. Unidade 2 Poluentes atmosféricos Nesta unidade, você irá conhecer com detalhes os principais poluentes atmosféricos. As diferenças entre fontes naturais e as emissões causadas pelas atividades humanas. Você conhecerá 13

14 Universidade do Sul de Santa Catarina as moléculas, suas concentrações e suas reações na atmosfera. Observará que cada poluente tem um destino na atmosfera, e que esse destino não significa a eliminação das moléculas poluentes. Unidade 3 Meteorologia e poluição atmosférica Nesta unidade, você entenderá que a movimentação atmosférica interfere diretamente na concentração de poluentes atmosféricos. Você observará que a dispersão dos poluentes depende das escalas espaciais climáticas e como em determinadas condições não ocorre a dispersão. Os conceitos de inversão térmica, estabilidade e instabilidade atmosférica serão relacionados às concentrações dos poluentes. Unidade 4 Legislação e qualidade do ar Nesta unidade, você verá alguns aspectos da legislação atual vigente e os padrões de qualidade do ar. Entenderá o conceito de camada de ozônio e o protocolo que regulamenta as emissões de gases depreciam essa camada. Saberá também, sobre o efeito estufa e sua influência no aquecimento global, bem como o protocolo que regula as emissões dos gases do efeito estufa. Unidade 5 Controle da poluição Nesta unidade, você estenderá o processo de controle da poluição atmosférica em ambientes fechados, por meio do estudo da ventilação industrial. Conhecerá os equipamentos de controle e os limites com que eles operam. Identificará cada equipamento pelo seu formato externo e qual o seu funcionamento, além de conhecer os conceitos da ventilação geral diluidora. 14

15 Controle da Poluição Atmosférica Agenda de atividades/cronograma Verifique com atenção o EVA, organize se para acessar periodicamente a sala da disciplina. O sucesso nos seus estudos depende da priorização do tempo para a leitura, da realização de análises e sínteses do conteúdo e da interação com os seus colegas e professor. Não perca os prazos das atividades. Registre no espaço a seguir as datas com base no cronograma da disciplina disponibilizado no EVA. Use o quadro para agendar e programar as atividades relativas ao desenvolvimento da disciplina. Atividades obrigatórias Demais atividades (registro pessoal) 15

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17 UNIDADE 1 Poluição atmosférica e desenvolvimento social 1 Objetivos de aprendizagem Entender a poluição atmosférica e relacionar os seus principais problemas com o meio ambiente. Conhecer os principais conceitos de poluição atmosférica. Entender as reações do corpo humano na presença de poluentes atmosféricos. Seções de estudo Seção 1 Seção 2 Seção 3 O que é poluição atmosférica? A poluição atmosférica: principais conceitos Poluição do ar e saúde

18 Universidade do Sul de Santa Catarina Para início de estudo Nesta unidade, você perceberá que a poluição atmosférica interfere no nosso dia a dia, sem, muitas vezes, nos darmos conta disso. Essa aparente falta de percepção se deve, principalmente, ao fato de estarmos habituados com a evolução industrial e suas consequências pontuais. Entendem se aqui como fatos pontuais, eventos que não estão presentes em nosso cotidiano e que são percebidos quando, pontualmente, interferem em nosso ritmo de vida. Pessoas que vivem em São Paulo e enfrentam um trânsito caótico sentem os efeitos diretos da poluição atmosférica. Já, aqueles que vivem em cidades como Florianópolis, onde não existe indústria e uma brisa constante que leva os poluentes para longe, não se apercebem do evento emissão, mesmo quando no trânsito veem uma fumaça preta que sai do escapamento de ônibus e caminhões. Esclarecer a uma comunidade inteira que existe risco no simples fato de esperar um ônibus num terminal rodoviário urbano, já é uma tarefa um tanto difícil, devido à falta de esclarecimentos precursores sobre o assunto e relevantes. Mais difícil, ainda, é incorporar esse pensamento a ações que dependem de decisões políticas. Existem inúmeros trabalhos que correlacionam algumas doenças com níveis de concentração de poluentes atmosféricos. Nesta unidade, você conhecerá algumas dessas correlações e quais as principais doenças causadas por determinadas concentrações de poluentes. 18

19 Controle da Poluição Atmosférica Seção 1 O que é poluição atmosférica? Antes de iniciar a leitura desta seção, considere a seguinte pergunta: O que têm em comum aquela neblina densa, misturada com a fumaça das grandes cidades, a chuva ácida, o monóxido de carbono de exaustões dos escapamentos de automóveis e o ozônio troposférico? A resposta é simples: todos são exemplos da poluição do ar. A poluição do ar não é nova. É tão antiga quanto a que existia no século 13, quando, em Londres, as pessoas queixavam se da poeira de carvão e da fuligem no ar. Desde o começo da revolução industrial, por volta de 1700, temos mudado a composição química da atmosfera terrestre. Portanto, do mesmo modo que a indústria se espalhou pelo do globo, assim também o fez a poluição do ar. Figura 1.1 Ilustração da emissão de poluentes por indústria Fonte: Controlair Pollution, A poluição do ar tem muitos efeitos. Ela danifica edifícios, colheitas, atinge diretamente animais selvagens, seres humanos, causando doenças e até mesmo mortes. O pior evento de poluição do ar de que se tem notícia aconteceu em 5 de dezembro de 1952, quando, em Londres, um smog fotoquímico denso (uma mistura de fumaça e névoa) atingiu a cidade. O problema perdurou até março de 1953, sendo que, em uma mesma semana, registrou se a morte de pessoas. Após seis meses, esse número havia aumentado para mortos. Smog é uma palavra proveniente da união das palavras smoke (fumaça) + fog (neblina). Unidade 1 19

20 Universidade do Sul de Santa Catarina Figura 1.2 Fotos do smog em Londres, em 1952 Fonte: BBC, Alguns processos naturais impactam a atmosfera, emitindo poluentes: Como por exemplo os vulcões, a deterioração biológica e as tempestades de poeira. Plantas, árvores e compostos orgânicos provenientes da decomposição da matéria orgânica, com os compostos orgânicos voláteis (COVs), como o metano, também são exemplos de emissões de poluentes naturais. O ambiente é um complexo e dinâmico sistema de gases naturais, essencial para manter a vida no planeta Terra. Um poluente atmosférico é um material errado, no lugar errado, na hora errada. Apesar disso, evitar a poluição atmosférica não é tarefa simples, pois a emissão de poluentes não naturais no ar ocorre especialmente em nações desenvolvidas, onde ocorre uma grande demanda por energia. Como grande parte das usinas energéticas é proveniente da queima de material fóssil, as emissões de gases nocivos na atmosfera se tornam cada vez mais intensas. O problema se torna ainda pior, inicialmente, pela própria falta de controle, dadas as seguintes circunstâncias: falta de ações governamentais de controle de poluição; falta de informação da população em geral, que, muitas vezes, desconhece a realidade do problema; manutenção incessante de nosso conforto, com demanda compulsiva de alternativas limitadas de estilo de vida. 20

21 Controle da Poluição Atmosférica Há séculos, quando os povos começaram a se estruturar em sociedades organizadas, os indivíduos demoraram a perceber que a manutenção do ambiente natural tinha sua conexão com necessidades e o bem estar geral. E as conexões são inevitáveis. Pense bem! Alguém que você não conhece, cortou com uma picareta um veio de carvão em uma mina, extraiu e recolheu um pedaço, dando início a uma corrente de eventos que assegurariam a você, finalmente, luz e claridade para ler este texto. Esse exemplo é somente ilustrativo e rudimentar, já que trata de luz proveniente de uma usina termelétrica, e o homem com a picareta pode ser um operário que aciona uma perfuratriz. Mas traz à tona uma questão chave para esta disciplina: a necessidade de evolução da sociedade e sua íntima ligação com o meio ambiente. Para Rizzo e Pires (2005), há uma estreita ligação entre o estágio de civilização e o padrão tecnológico. Desde a queima de madeira até a energia nuclear, o ser humano vem se apropriando da natureza e aumentando sua potencialidade. No entanto, a era da energia fóssil (carvão, petróleo e gás natural), ao mesmo tempo que possibilitou a Revolução Industrial e a produção massificada de mercadorias, criou um passivo ambiental de grandes proporções. Nós todos causamos a poluição de ar. Quando cortamos nossa grama, quando dirigimos nossos carros e quando usamos muitos de nossos produtos cotidianos, nós estamos poluindo a atmosfera. Historicamente, essa poluição nunca foi regularizada. Você pode notar isso ao queimar o lixo no quintal, liberando fumaça. Esse tipo de atitude não vai de encontro aos códigos municipais locais, contudo, nós ainda apreciamos essa liberdade dos regulamentos em um nível pessoal, pois são atos frequentes e corriqueiros. Nesse sentido, podemos afirmar que, enquanto as densidades populacionais continuarem aumentando, haverá crescente necessidade de melhoria nos regulamentos que impactam diretamente nos indivíduos. Diante disso, vemos na educação aplicada à gestão ambiental a única ferramenta que poderia preencher essa lacuna. Unidade 1 21

22 Universidade do Sul de Santa Catarina Para Seweel (1978), a origem da poluição tem correlação com o estilo de vida desejado e os interesses econômicos. O autor ainda menciona que existem esforços para deter o aumento da concentração, especialmente nas descargas de automóveis. Fonte: Cartoon Stock, Modificado pelo autor. É importante destacar que, já no final dos anos 70, após a crise mundial do petróleo, já havia preocupação com as fontes de emissão e um aparente início do seu controle. A generalização do entendimento das questões ambientais, como, por exemplo, a poluição atmosférica, é parte integrante do senso comum. No entanto, há necessidade de um aprofundamento e maior embasamento teórico do tema. Na próxima seção, veremos que existem conceitos a serem conhecidos, para que o assunto poluição atmosférica fique mais claro. Seção 2 A poluição atmosférica: principais conceitos Para que você entenda melhor a continuidade desse assunto, é necessário que você conheça algumas definições iniciais. Definições Aerossóis partículas sólidas ou líquidas em suspensão num meio gasoso, com uma velocidade de queda irrelevante e cujo tamanho excede normalmente o de um coloide (diâmetro de 1 nm a 1 µm). Fumos efluentes gasosos que contenham emissões sólidas, líquidas ou gasosas, expressos em Vazão m3/h. Chaminé conduto de direção ou controle da exaustão de fumos ou aerossóis de estabelecimentos industriais. Concentração excessiva concentração provocada por efeitos aerodinâmicos criados pela fonte emissora ou por 22

23 Controle da Poluição Atmosférica obstáculos, naturais ou artificiais, que seja, pelo menos, superior em 40% à concentração verificada na ausência dos referidos efeitos aerodinâmicos. Emissão difusa qualquer emissão de poluentes para a atmosfera que não é feita através de um dispositivo preparado para dirigir ou controlar. Fonte de emissão ponto de origem, fixo ou móvel, de poluentes atmosféricos. Como você pôde ver nos conceitos descritos no quadro anterior, a definição de fonte de emissão é bastante simples, porém, vamos classificar as fontes para propiciar lhe um entendimento mais amplo a respeito. O homem foi o responsável por uma poluição ambiental de formas tão variadas que se torna impossível uma simples enumeração dos fatores individuais. As fontes de emissão de poluentes primários e dos componentes secundários podem ser as mais variadas. Nesse sentido, consideram se dois tipos básicos de fontes de poluição: 1. as fontes específicas são fixas em determinado território, ocupam área relativamente limitada na comunidade e permitem uma avaliação na base de fonte por fonte, por exemplo, indústrias; 2. as fontes múltiplas podem ser fixas ou móveis, geralmente se dispersam pela comunidade, oferecendo grande dificuldade de serem avaliadas na base de fonte por fonte. casas carros fontes múltiplas fixas fontes múltiplas móveis Unidade 1 23

24 Universidade do Sul de Santa Catarina É possível classificar as fontes de poluição segundo a origem do poluente, a saber: 1. fontes naturais; 2. fontes industriais; 3. queima de combustíveis; 4. queima de resíduos sólidos; 5. evaporação de produtos de petróleo; 6. atividades produtoras de odores; 7. fontes de radiações; 8. outras atividades. Os agentes causadores da poluição do ar são diversificados: refinarias de petróleo, fábricas de papel e de produtos químicos, fundições, veículos motorizados, atividades domésticas, queimadas de florestas e de lixo, além de fontes naturais de monóxido de carbono, procedentes da oxidação atmosférica do metano, devido à putrefação da matéria orgânica. As fontes naturais do composto monóxido de carbono estão distribuídas por todo o mundo, enquanto que as intervenções humanas se concentram em zonas muito menores. É preciso você compreender que, ao partirem de um ponto de emissão, os poluentes seguem um determinado padrão para se espalharem na atmosfera. Essa forma como os poluentes se espalham, a partir da sua fonte, é chamada de mobilidade. A mobilidade pode ser: a) estática indústrias; b) móvel automóveis, navios, aviões. 24

25 Controle da Poluição Atmosférica Quando os poluentes são liberados para a atmosfera, eles dependem da sua localização em um determinado espaço, chamado de geometria. Esse espaço pode ser: a) pontual chaminé de indústria; b) em linha autopista, avenida; c) aéreo queima de campo; d) em volume volume de ar sobre uma cidade. As emissões de poluentes duram um determinado tempo, ou seja, ocorrem num espaço de tempo. Esse processo é chamado duração, e pode ser ininterrupto como no caso das emissões permanentes, ou ocorrer quando há necessidade, como no caso das emissões intermitentes: a) emissões permanentes e instantâneas indústria; b) emissões intermitentes incineradores. Antes de entendermos os primeiros conceitos de poluição atmosférica, vamos apresentar conceitos introdutórios de normas de emissão, ou seja, aqueles valores que determinam a emissão de um determinado poluente. 1. Normas de emissão normas que estabelecem os valores máximos de emissão de poluentes atmosféricos provenientes de fontes de emissão fixas ou móveis. 2. Normas da qualidade do ar normas que estabelecem os valores limites e valores guias das concentrações de poluentes atmosféricos no ar ambiente. 3. Poluentes atmosféricos substâncias ou energias que exerçam uma ação nociva susceptível de pôr em risco a saúde humana, de causar danos aos recursos biológicos e aos ecossistemas, de deteriorar os bens materiais e de ameaçar ou prejudicar o valor recreativo ou outras utilizações legítimas do ambiente. Unidade 1 25

26 Universidade do Sul de Santa Catarina É importante você compreender que onde houver qualquer variação na composição do ar, ou seja, onde forem modificadas as propriedades físicas e químicas da atmosfera de forma que isso seja detectável pelas pessoas, plantas e animais, há poluição atmosférica. (MOUVIER, G. 1995). A expressão qualidade do ar remete ao ar que respiramos em um determinado momento e num determinado local. Por exemplo: uma indústria emite poluentes que são lançados pela chaminé; nesse ponto, essa parcela de gases tem alta concentração. Após ocorrer uma dispersão destes gases com o ar atmosférico ao redor, essa parcela de ar terá uma outra concentração de poluentes, bem menor. Lembre se de que a palavra emissão remete à fonte, ou seja, ao local onde os contaminantes são lançados. Isso significa que, neste momento, a concentração de poluentes é alta, se comparada ao termo qualidade do ar. Segundo a WHO (Organização Mundial de Saúde, 2005), a poluição do ar é definida como situação limite, se a atmosfera contém materiais que se encontram em concentrações nocivas para o homem e seu ambiente circundante. Para que se determinem os limites de emissão, é necessário estabelecer valores que determinem, por sua vez, a dimensão em que os valores serão maiores ou menores, dentro de um determinado limite. Veja a seguir os valores para a qualidade do ar. 1. Valor guia da qualidade do ar concentração no meio receptor de um determinado poluente atmosférico, a qual serve como ponto de referência para estabelecer regimes específicos em determinadas zonas, com vista à proteção, a longo prazo e com uma suficiente margem de segurança, da saúde humana, do bem estar das populações, da qualidade do ambiente. 2. Valor limite de emissão concentração ou massa de poluentes presente nas emissões provenientes das instalações (fixas ou móveis), que não deve, durante um período determinado, ser ultrapassada. 3. Valor limite da qualidade do ar concentração máxima no meio receptor para um determinado poluente atmosférico, cujo valor não pode ser excedido durante períodos previamente determinados, com vista à proteção da saúde humana e à preservação do ambiente. A Resolução do Conselho Nacional de Meio Ambiente (CONAMA) 003, de 28 de junho de 1990, define como poluente atmosférico qualquer forma de matéria ou energia com intensidade e em quantidade, concentração, tempo ou 26

27 Controle da Poluição Atmosférica características em desacordo com os níveis estabelecidos, e que tornem ou possam tornar o ar: impróprio, nocivo ou ofensivo à saúde; inconveniente ao bem estar público; danoso aos materiais, à fauna e à flora; prejudicial à segurança, ao uso e ao gozo da propriedade e às atividades normais da comunidade. A seguir, você pode conhecer, de forma bastante resumida, os principais poluentes atmosféricos: 1. Dióxido de Enxofre (SO 2 ); 2. Material Particulado (PT, MP 10, MP 2,5 ): a) PST Particulado Suspenso Total Esta apresentação é somente para conhecimento inicial. Na unidade seguinte, os contaminantes serão mais bem estudados. b) MP 10 Particulado com diâmetro inferior a 10 mm c) MP 2,5 Particulado com diâmetro inferior a 2,5 mm 4. Óxidos de nitrogênio (NO 2 e NO); 5. Ozônio (O 3 ); 6. Compostos Orgânicos Voláteis (COV); 7. Monóxido de Carbono (CO). Nesta seção, você viu os principais conceitos referentes à poluição atmosférica. A seguir, você perceberá os danos que a poluição pode causar à saúde humana. Unidade 1 27

28 Universidade do Sul de Santa Catarina Seção 3 Poluição do ar e saúde A convivência dos seres vivos, em especial a do homem, com a poluição do ar tem trazido consequências sérias para a saúde. Os efeitos dessa exposição têm sido marcantes quanto à abrangência. Em países desenvolvidos e em desenvolvimento, crianças, adultos e idosos, previamente doentes, ou não, sofreram e ainda sofrem seus malefícios. Segundo Duchiade (1992), por meio da análise dos estudos realizados em diversos centros urbanos, pode se concluir que: As concentrações de poluentes atmosféricos encontradas em grandes cidades acarretam afecções agudas e crônicas no trato respiratório, mesmo em concentrações abaixo do padrão de qualidade do ar. A maior incidência de doenças, tais como asma e bronquite, está associada às variações das concentrações de vários poluentes atmosféricos. A mortalidade por doenças do sistema respiratório apresenta uma forte associação com a poluição atmosférica. As populações mais vulneráveis são as crianças, idosos e aquelas que apresentam doenças respiratórias. O material particulado inalável, com dimensão inferior a 10 µ e, mais recentemente, a 2,5 µ, é apontado como o poluente mais frequentemente relacionado com danos à saúde. Vários estudos demonstraram ocorrência de efeitos mórbidos em concentrações abaixo dos padrões de qualidade do ar. A mortalidade por doenças cardiovasculares também tem sido relacionada à poluição atmosférica urbana, sendo novamente o material particulado inalável o poluente frequentemente associado. Para Duchiade (1992), os estudos epidemiológicos nos fornecem somente indicações sobre a existência de associações entre os poluentes e a saúde humana. Com tais indicações, os 28

29 Controle da Poluição Atmosférica pesquisadores passam a planejar investigações capazes de fornecer resultados mais conclusivos. Em última instância, apenas os experimentos, sob condições de laboratório controladas, podem comprovar, ou não, as hipóteses levantadas nos trabalhos observacionais. A necessidade de prosseguir e aprofundar o estudo dos efeitos da poluição do ar sobre a saúde humana, tanto do ponto de vista epidemiológico quanto do ponto de vista biológico e até mesmo físico químico, é bastante evidente. Para evidenciar os riscos da poluição atmosférica, acompanhe, a seguir, o caso da Poluição Automotiva e o Controle da Qualidade do Ar em São Paulo. São Paulo é uma das dez maiores cidades do mundo, com aproximadamente dezesseis milhões de habitantes na Região Metropolitana (RMSP). O clima na RMSP pode ser resumido como seco no inverno e úmido no verão. De setembro a abril, a área é dominada por vento úmido do Sul e ocorrência de sistemas frontais, resultando em precipitações e nuvens de baixa altitude. Durante o inverno, formações de alta pressão no Oceano Atlântico ao leste dirigem se para o norte, produzindo ventos fracos provenientes da costa, fortes inversões térmicas de subsidiência e céu claro. Sua precipitação anual é de mm, com temperatura média que varia entre C. As duas principais fontes de emissão de poluentes são as indústrias, atualmente localizadas na RMSP, e a frota de veículos automotores que circulam pela cidade. Essa frota é responsável por grande parte da carga de poluentes emitidos na atmosfera, podendo ser estimada em mais de 4,3 milhões de veículos automotores. (DUCHIADE, 1992). A história do crescimento urbano de São Paulo tem sido marcada pela falta de priorização de transportes coletivos de qualidade. Vale lembrar que o metrô foi inaugurado somente em 1974 e, ainda hoje, atende a uma parcela pequena da população. Unidade 1 29

30 Universidade do Sul de Santa Catarina Ao longo das décadas, o transporte individual foi tornando se uma opção natural, devido não só à insuficiência do transporte público como também ao acesso facilitado do uso e aquisição do automóvel. Consequentemente, a proporção do número de carros por habitante cresceu de 1/40 na década de quarenta, para quase 1/2 nos anos noventa. Ocorre que, nesse período, a malha viária não acompanhou o mesmo crescimento. Outra característica do crescimento da cidade é a mudança de várias indústrias do Município de São Paulo para outros municípios. Ao longo dos anos, São Paulo foi transformando se em uma cidade predominantemente de serviços. Face a esse processo, a emissão de poluentes atmosféricos por fontes móveis foi aumentando gradativamente, de forma bastante significativa. Pode se dizer, aliás, que as fontes móveis são responsáveis por noventa por cento da emissão de poluentes na cidade. A desproporção entre número de veículos circulantes e a malha viária destinada a escoar uma frota veicular que sempre cresce, fez com que a Cidade de São Paulo viesse a experimentar um aumento progressivo de congestionamentos. A falência do transporte público, a atitude de defesa do cidadão que necessita de locomoção para o seu trabalho e as facilidades crescentes para a aquisição do automóvel estão entre os fatores que muito contribuíram para que hoje o paulistano dispense mais e mais tempo para se locomover em ruas cada vez mais congestionadas. É importante você observar que a situação acima exposta pode ser aplicada, sem muitas adaptações, a diversas capitais do mundo, especialmente nas regiões em desenvolvimento econômico. Esse cenário apresentado pode levar a dois caminhos: 30

31 Controle da Poluição Atmosférica 1. restrição à circulação de veículos, necessariamente acompanhada de um aumento da qualidade e acesso ao transporte público; 2. realização de grandes obras viárias. Em geral, a segunda opção é a preferida pelos dirigentes das cidades, dada a visibilidade política que as grandes obras e viadutos propiciam a quem os contrata. Quando o poluente entra em contato com o corpo humano, percorre alguns caminhos e ocorrem algumas reações, que veremos a seguir. Efeitos da poluição do ar na saúde De acordo com Sewell (1979), a maioria das vítimas da poluição do ar não morre durante um episódio desses. Elas contraem uma doença respiratória ou outro sintoma associado à poluição do ar, enfraquecem gradativamente, para depois morrerem tipicamente de pneumonia, ataque do coração ou falha de algum outro órgão vital. De acordo com o autor, a poluição do ar pode gerar também crianças que nascem com defeitos congênitos, os quais, posteriormente, poderão ser relacionados com a poluição do ar. Além disso, é importante observar que a poluição atmosférica também pode causar graves doenças, como é o caso do câncer. No organismo, os poluentes seguem o mesmo caminho do ar que respiramos, o que pode causar danos em diferentes partes do sistema respiratório, conforme demonstrado na figura a seguir. Unidade 1 31

32 Universidade do Sul de Santa Catarina 1. As partículas de poluentes em várias concentrações no ar são inaladas. 2. Milhões dessas partículas em suspensão são depositadas nas seguintes superfícies: a. Cavidade nasal. Partículas maiores que 10 microns. 4. O pior dano que pode ocorrer é devido as menores partículas que alcançam os pequenos espaços pulmonares os alvéolos. b. Traqueia. c. Brônquios. Partículas entre 5 e 10 microns. Seção em aumento para mostrar os alvéolos. d. As menores cavidades do pulmão (os alvéolos). Partículas menores que 5 microns. 3. Em todos os organismos que forem expostos às partículas em suspensão haverá, provavelmente, alergia àquelas substâncias componentes, e posteriormente, mesmo que em contato com pequenas concentrações, poderão provocar sintomas como asma, febre, cansaço e dificuldades respiratórias. Figura 1.3 Caminho dos poluentes atmosféricos no corpo humano Fonte: Air Cleaner, Para entender a figura acima, você precisa compreender bem qual a representação do valor de grandeza apresentado, no caso, o micrômetro. É imperativo que, neste momento, você faça um exercício mental para estabelecer esse critério. Assim, quando ele for mencionado, sua mente já terá uma ideia formada. Antes de iniciar, vamos revisar a grandeza MILÍMETRO (mm). O milímetro é a milésima parte de um metro, ou seja, 10 3 m. Uma maneira mais fácil de você entender é observar que um milímetro é a décima parte de um centímetro, ou seja, um centímetro é dividido em dez partes, cada parte dessas é o milímetro. Se pegarmos UM MILÍMETRO e dividirmos em mil partes, teremos o MICRÔMETRO(µm). Assim como foi mencionado no milímetro: O micrômetro é a milionésima parte de um metro (10 6 m). 32

33 Controle da Poluição Atmosférica Vamos imaginar o tamanho de uma partícula sendo igual a 100 µm. Para estabelecer um critério de grandeza numérica, basta relacionar com o milímetro, que é uma unidade sua conhecida. Olhe para a figura a seguir e divida um dos espaços que corresponde a um milímetro em mil partes. Tomando uma das partes, temos o micrômetro. É impossível visualizar, justamente porque se trata de uma unidade muito pequena. Agora visualize 100 µm, ou seja, divida o milímetro em mil partes e tome 100 partes. A visualização já se torna mais fácil. Observe: 100 μm Figura 1.4 Parte de régua graduada mostrando o Milímetro e o Micrômetro Fonte: Elaboração do autor. Agora que você consegue compreender melhor o que é o valor de grandeza micrômetro, volte no desenho e busque entender, de forma mais clara e objetiva, o modo como os poluentes seguem o mesmo caminho do ar que respiramos. Aqui é importante você compreender que os poluentes do ar afetam a saúde por meio de três mecanismos diferentes basicamente. Conheça os na sequência. 1. Alteram a ação das enzimas. As enzimas são proteínas complexas que gerenciam atividades metabólicas por meio de interações também complexas e bastante vulneráveis. O arsênio e o mercúrio, por exemplo, têm afinidades com certas enzimas e as impedem de agir. Um poluente que reage com manganês, por exemplo, pode inativar indiretamente uma enzima dependente do manganês. Outros poluentes podem simplesmente destruir as enzimas, por exemplo, um pesticida organofosfatado que ataca Unidade 1 33

34 Universidade do Sul de Santa Catarina a enzima a qual regula as respostas musculares. Em outros casos, o poluente pode ativar uma enzima, para que produza uma substância tóxica. 2. Podem reagir diretamente com os constituintes da célula. O monóxido de carbono, por exemplo, desloca o oxigênio da hemoglobina do sangue, privando de oxigênio o cérebro e outros órgãos. 3. Podem influenciar as atividades químicas do corpo. O dano feito ao fígado por teracloreto, por exemplo, parece ser causado pela descarga de epinefrina pelos nervos que foram estimulados. Os danos da poluição atmosférica numa pessoa não podem ser precisamente descritos, pois as pessoas estão geralmente expostas a uma mistura de vários poluentes, os quais podem causar consequências à saúde, de forma variada. Síntese Nesta unidade, você iniciou os estudos sobre a poluição atmosférica e seus impactos na sociedade. Lembre se de que a sociedade como um todo faz parte do meio ambiente e que o próprio desenvolvimento desta sociedade pode gerar impactos sobre si mesma, com aumento de doenças relacionadas à poluição, depreciação de bens materiais e contaminação de tantos outros meios naturais. Você pôde estudar os conceitos iniciais sobre o tema da poluição atmosférica, de modo a se nortear no tema (alguns dos conceitos apresentados serão retomados em capítulos posteriores). 34

35 Controle da Poluição Atmosférica Atividades de autoavaliação 1) A poluição atmosférica tem efeitos somente sobre a saúde humana? Explique. 2) As partículas em suspensão causam danos iguais à saúde humana, independentemente de seu tamanho? Unidade 1 35

36 Universidade do Sul de Santa Catarina 3) Quando se fala em fontes de emissão, fica claro que o ar proveniente dessas fontes será lançado na atmosfera em determinada concentração. As medidas de concentração desse ar proveniente das fontes de emissão têm a mesma concentração do ar que respiramos? Saiba mais MASTERS, G.M. Introduction to environmental engineering and science. Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice Hall International Editions, MOUVIER, Gerard. A poluição atmosférica. Lisboa: Instituto Piaget, WHO (World Health Organization Europe) Air quality guidelines Global update. Particulate matter, ozone, nitrogen dioxide and sulfur dioxide. World Health Organization Regional Office for Europe, Copenhagen,

37 UNIDADE 2 Poluentes atmosféricos 2 Objetivos de aprendizagem Diferenciar as fontes de poluição atmosférica. Entender como os poluentes atmosféricos são medidos. Conhecer e identificar os diferentes poluentes atmosféricos e seus ciclos na atmosfera. Seções de estudo Seção 1 Seção 2 Seção 3 Fontes naturais e antropogênicas Concentração dos poluentes Principais poluentes atmosféricos

38 Universidade do Sul de Santa Catarina Para início de estudo Nesta unidade, serão abordados aspectos das fontes de emissão, de modo a diferenciar as fontes naturais das fontes causadas pelo homem, chamadas de antropogênicas. Aqui você também iniciará seus estudos sobre os poluentes, com foco nas concentrações e transformações de unidades de medida. Você verá quais são os principais poluentes atmosféricos e qual a sua dinâmica na atmosfera, estudando, assim, suas fontes de emissão e concentrações. Seção 1 Fontes naturais e antropogênicas A seguir, você verá que existem diferentes fontes poluidoras: as naturais e as antropogênicas. Fontes naturais de emissão As fontes naturais de poluição já foram apresentadas na unidade anterior, porém, cabe aqui acrescentar, complementarmente, uma explicação sobre fontes de emissão de poluentes naturais, isto é, os gases nocivos lançados na atmosfera, que são provenientes de ambientes naturais. As fontes naturais, que se encontram disseminadas por todo o planeta, sempre existiram, apesar de terem variado consideravelmente durante os séculos. Ao considerar um poluente como proveniente de uma fonte natural, é preciso observar que a sua relevância frente às fontes poluentes consideradas antropogênicas pode variar no sentido de ter uma maior ou menor importância. As medidas das fontes naturais podem apresentar grandes imprecisões: Como acontece quando se mede a emissão de poluentes de todas as zonas pantanosas do planeta, sabendo se que os gases gerados pelos processos biológicos são diferentes, pois dependem de condições do local, como a temperatura, por exemplo (MOUVIER, 1995). 38

39 Controle da Poluição Atmosférica A poluição natural é originada por fenômenos biológicos e geoquímicos. Entre as fontes naturais, podemos apontar: a) o solo; b) a vegetação (polinização); c) os oceanos; d) vulcões e fontes naturais de líquidos; e) gases e vapores. Veja a seguir a explicação de como se dá a poluição atmosférica por meio de cada uma dessas fontes naturais de poluição. Solo emite N 2 O (desnitrificação), NH 3 (processos aeróbicos) e gases redutores, como CH 4, NO, H 2 S (fermentação anaeróbica em zonas úmidas, como pântanos, arrozais, bosques úmidos etc.). Vegetação emite muitos compostos orgânicos. Oceanos são armazéns químicos e importantes fontes de emissão de componentes atmosféricos. Variações de temperatura na superfície do mar modificam as concentrações de uma grande diversidade de gases dissolvidos: CO, CO 2, CH 4, N 2 O, CS 2 (dissulfeto de carbono), SCO, ClCH 3 (cloreto de metila) etc. Vulcanismo joga poeira a km de altura. As partículas que chegam aos níveis mais altos têm diâmetro de aproximadamente 1 µm. Essas partículas demoram de 2 a 12 anos na estratosfera, antes de caírem na troposfera, onde são rapidamente lavadas. Um vulcão emite óxidos de nitrogênio e de enxofre, H 2 S, HCl, HF, SCO (sulfeto de carbonila), cinzas e partículas sólidas. Além de causarem poluição de forma acentuada na atualidade, os vulcões ainda interferem diretamente na dinâmica dos transportes aéreos, pois as partículas concentradas reduzem significativamente a visibilidade. Assim, como medida de segurança muitas linhas aéreas Unidade 2 39

40 Universidade do Sul de Santa Catarina são canceladas sem aviso prévio. Como ocorreu com as erupções do vulcão Puyehue, no Chile, que ocasionou cancelamentos de vôos no sul da América do Sul em junho de 2011, Figura 2.1. E com o vulcão Grimsvotn, na Islândia, que causou cancelamento de vôos em maio de 2011, em toda a Europa. A atmosfera mesmo a longa distância fica com características bem distintas e de fácil percepção. Gases e vapores são provenientes de atividades biológicas, principalmente pela decomposição da matéria orgânica. É muito comum observar aquele cheiro de ovo podre vindo de regiões pantanosas. Esse cheiro vem dos gases de enxofre, devido à decomposição biológica. Em geral, a contaminação proveniente de fenômenos naturais é assimilada pela natureza, a qual possui mecanismos físicos e químicos suficientes para degradar os contaminantes emitidos. Fontes antropogênicas O ser humano, por meio da atividade industrial e urbana, joga resíduos à atmosfera, de forma incontrolada e constante, em amplas zonas do planeta. Aproximadamente 65 mil produtos químicos, provenientes de uma variedade de atividades industriais, encontram se na atmosfera. A quantidade e qualidade dos poluentes emitidos pelas fontes antropogênicas dependem de vários fatores relacionados à fabricação. As matérias primas e combustíveis envolvidos no processo, a eficiência do processo, o produto fabricado e o grau de medidas de controle de emissões influem diretamente no tipo e concentração do poluente expelido. Como já é sabido, o chamado smog fotoquímico é um composto de poluentes de origem antropogênica. 40

41 Controle da Poluição Atmosférica Seção 2 Concentração dos poluentes Antes de você iniciar o estudo sobre os poluentes é necessário que compreenda a diferença entre as concentrações dos gases e partículas na atmosfera, aprendendo, dessa forma, a realizar os cálculos de transformações de unidades. As concentrações de poluentes gasosos na atmosfera são expressas da seguinte forma: Massa por volume: (µg/m 3 ). Essa representação é utilizada para partículas e, algumas vezes, para gases. Volume por unidade de volume: (ppm ou ppm v ). Essa representação é utilizada para gases. O símbolo ppm significa: parte por milhão em uma fração de volume. Analogamente, você deve estar familiarizado(a) com ppc (parte por cem), que nada mais é do que a nossa porcentagem. Portanto, uma parte por cem será: 1 = 1 = Do mesmo modo, uma parte por milhão (ppm v ) será: 1 = 1 = A letra v indica que se trata de volume. Esse valor 10 6 será importante na hora da conversão de unidades. Veja a seguir o exemplo dos dois principais gases componentes da atmosfera. Como sua concentração é muito alta, esses podem ser expressos em porcentagem. Observe: Unidade 2 41

42 Universidade do Sul de Santa Catarina N 2 = 78,084% ou 78,084 parte por cem. Temos de entender que, em relação à constituição geral da atmosfera, o gás N 2 representa 78,084, que é 0, Sendo assim, temos a seguinte relação: 0, = 78,084% Se formos representar essa mesma relação em partes por milhão, devemos partir da relação inicial, que é de 0,78084, e multiplicar por um milhão. Portanto: 0, = ppm A diferença de 100 para é de quatro zeros, então, para transformar de % para ppm, basta multiplicar por Observe: O 2 = 20,946% x 10 4 = ppm Sendo assim, quando as concentrações vão ficando muito baixas, há necessidade de não mais utilizarmos a porcentagem e passarmos a usar o ppm. Veja no exemplo do CO 2. Segundo o relatório IPCC (2007), a concentração CO 2 passou de 0,0289% na era pré industrial para 0,0379% em Se arredondarmos essa porcentagem, veremos que os números estão entre 0,03% e 0,04%. Matematicamente, essa diferença é pequena, mas, quando nos referimos à grandeza numérica de seus valores como um gás, essa diferença passa a ser muito grande. Em ppm, pode se dizer que a concentração de CO2 passou de 289 ppm para 379 ppm. Um aumento significativo. O CO 2 é um gás constituinte da atmosfera e se encontra em pequena concentração, comparado com o O 2 e o N 2. Então, imagine os demais gases que não são constituintes da atmosfera, e sim poluentes. Suas concentrações são baixíssimas, assim, por esse motivo, as unidades devem mudar para ppm ou unidades ainda menores, como o ppb (parte por bilhão). Esse é o caso do gás metano (CH4), que, segundo o IPCC (2007), passou de 715 ppb na era pré industrial, para 1774 ppb em

43 Controle da Poluição Atmosférica Observe que, como a contração de metano é muito pequena, é inviável mencionar esse valor numa unidade maior como ppm, e, de maneira alguma, em porcentagem. Para que fique bem claro, veja a seguir como se dá a devida conversão: 715 ppb = 0, x 100 = 0, % Observe que, quando comparado com o CO 2, esse valor é muito pequeno. A determinação da massa por unidade de volume deve levar em consideração a temperatura e a pressão, porque ambas fazem variar o volume. Nesse sentido, observe que as relações que permitem a interconversão entre as unidades de massa por volume e volume por volume são as seguintes: a. µg/m 3 ppm v ppm V = µg/m 3. V 0. T. P M T 0 P (I) b. ppm v µg/m 3 µg/m 3 = ppm V. M. T 0. P (II) V 0 T P 0 Unidade 2 43

44 Universidade do Sul de Santa Catarina Atenção! Todas as fórmulas do livro serão numeradas com algarismos romanos logo abaixo, devido à necessidade de retomá las e referenciá las ao longo do texto. m massa molar encontrada na tabela periódica. Tenha sempre em atenção que a massa molar do gás deve ser representada nas mesmas dimensões das da concentração, de forma a manter a expressão homogênea. Por exemplo, a massa na tabela periódica é apresentada em gramas e as concentrações podem ser em miligramas ou microgramas; V 0 o volume molar de um gás ideal numa condição normal de temperatura e pressão (CNTP), que é de uma atmosfera (1 ATM ou 101,3 kpa) e zero graus Celsius (0 o C ou 273,15Kelvin). Essa condição também é chamada de Condição Standart para volumes de gases. O V 0 é igual a 22,4 litros por mol (22,4 L.mol 1 ). Observe a seguinte Figura: He N 2 CH 4 Volume 22,4 L 22,4 L 22,4 L Pressão 1 atm 1 atm 1 atm Temperatura 0 C 0 C 0 C Massa do gás 4,00g 28,0g 16,0g Número de moléculas do gás 6, , , Figura 2.1 Relação quantidade volume nas condições normais de temperatura e pressão (CNTP) Fonte: Elaboração do autor. Note que o volume é o mesmo para diferentes gases nas mesmas condições de temperatura a 0 o C e pressão de 1ATM. Ambos os gases Hélio (He), Nitrogênio (N 2 ) e Metano (CH 4 ) também possuem o mesmo número de moléculas, chamado de Número de Avogadro. 44

45 Controle da Poluição Atmosférica Podemos dizer, então, que existem diferentes massas nos mesmos volumes, e isso é fundamental para a conversão de unidades. Observe a tabela periódica a seguir: Figura 2.2 Parte da Tabela Periódica dos elementos Fonte: Usberco, Modificado pelo autor. Você pode notar que o Hélio (He) tem massa atômica (peso atômico na tabela) igual a 4g. O nitrogênio tem massa atômica Unidade 2 45

46 Universidade do Sul de Santa Catarina igual a 14g, porém, como a molécula é composta por dois nitrogênios atômicos (N 2 ), então, sua massa molar será de = 28g e o metano (CH 4 ) terá C=12g + 4H=1g+1g+1g+1g, dando um total de 16g. Continuando a identificar os termos da fórmula I e II, temos: T 0 = Temperatura igual a zero graus Celsius, ou, na escala Kelvin, igual a 273,15 K; P 0 = Pressão atmosférica ao nível do mar, ou seja, 1 atm. Para uma melhor visualização da conversão de µg/m 3 para ppmv, acompanhe a resolução do exemplo a seguir. Converta 470 µg/m 3 do gás NO 2 para ppm v a 25 C e pressão constante ao nível do mar. Para resolver essa conversão, será utilizada a fórmula I descrita anteriormente. a) O primeiro passo é notar que a massa molar do NO 2 é composta por: um átomo de Nitrogênio e dois átomos de Oxigênio. b) Depois, é preciso obter o valor de cada um dos componentes do gás, consultando a tabela periódica vista na Figura 2.2. Sendo assim, temos: N = 14g e 0 = 16 c) Em seguida, é preciso somá las para obter a massa atômica de NO2: N = 14g + 0 = 16g + 0 = 16g) = 46 g/mol. d) Antes de aplicar a fórmula, você deve observar que: é preciso converter litros/mol para m 3 /mol (22,4 L/ mol 10 3 = resposta será em m 3 /mol) e µg/m 3 para gramas (470µg/m = resposta será em g/m 3 ). Essas conversões são necessárias para podermos cortar as unidades iguais; a temperatura deverá estar na escala Kelvin (K = C + 273,15). 46

47 Controle da Poluição Atmosférica e) Agora já é possível aplicar a fórmula. Dessa maneira, temos: NO 2 (ppm V ) = 470 x 10-6 g/m 3 x 22,4 x 10-3 m 3 /mol. ( ,15) K. 1 atm g/mol 273,15 K 1 atm = 0,25 x 10-6 x 10 6 = 0,25 ppm V de NO 2 f) Ao analisar a resolução da conversão, você verá que: A última multiplicação foi por Isso ocorre para facilitar o entendimento de que o ppm v significa Quando multiplicamos, os valores acabam sendo cortados. Outra maneira de entender é substituindo 10 6 pela unidade ppm. Assim temos: 0, = 0,25 ppm Para converter de µg m 3 para ppbv (parte por bilhão), é suficiente usar unidades homogêneas nas expressões (que são as conversões de litros/mol para m 3 /mol e µg/m 3 para gramas) e alterar o expoente no último termo para 9 (10 9 ou 10 9 ). É evidente que, para qualquer outra conversão entre unidades, basta alterar o valor do expoente, desde que se mantenham unidades homogêneas. Para Masters (1991), uma das vantagens de utilizar as conversões é que, quando comparadas, a unidade expressa em ppm não muda muito com a temperatura e pressão, enquanto que, na unidade volumétrica, é possível perceber melhor essas mudanças. Além de converter as concentrações de poluentes de ppm para µg/m 3 e vice versa, caso se queira um valor mais correto, pode se fazer um ajuste mais fino de ambas as unidades para diferentes altitudes. Unidade 2 47

48 Universidade do Sul de Santa Catarina A concentração de um poluente do ar atmosférico no nível do mar decrescerá com o aumento da altitude, como consequência do decréscimo da pressão, pois a evolução da temperatura não é tão regular, como veremos mais adiante. A variação da pressão com a altitude é dada pela seguinte expressão: P a = 0,9877 ( III ) a 1000 a = a altitude em metros Sendo assim, o cálculo da concentração de poluentes a uma dada altitude, indicada pela simbologia C a, pode então ser calculada pela expressão a seguir, desde que se mantenham as demais condições vistas anteriormente. C a = C. 0,9877 ( IV ) a 1000 C = concentração que pode ser calculada pelas fórmulas (I) e (II) O cálculo da concentração de gás na atmosfera é muito importante, pois o nível de poluição atmosférica é medido pela quantidade de substâncias poluentes presentes no ar. A variedade das substâncias que podem ser encontradas na atmosfera é muito grande, o que torna difícil a tarefa de estabelecer uma classificação. Para facilitar esta classificação, os poluentes são divididos em duas categorias (CETESB, 2009): poluentes primários: aqueles emitidos diretamente pelas fontes de emissão; poluentes secundários: aqueles formados na atmosfera por meio da reação química entre poluentes primários e componentes naturais da atmosfera. 48

49 Controle da Poluição Atmosférica Uma vez entendidas as diferentes maneiras de medir os poluentes no ar, agora você pode iniciar os estudos sobre cada poluente. Seção 3 Principais poluentes atmosféricos Veremos a seguir os principais poluentes na atmosfera. Esses compostos podem ser divididos em: compostos, ou seja, composição de algumas substâncias de um mesmo elemento ou molécula, como os compostos de enxofre, de nitrogênio, os hidrocarbonetos, material particulado; moléculas individuais, ou seja, a própria molécula é o poluente como o monóxido de carbono e o ozônio troposférico. Compostos de enxofre Estudar os compostos de enxofre na atmosfera é de significativa importância, uma vez que se trata de um dos poluentes mais nocivos ao meio ambiente. Uma associação muito conhecida que se faz com o enxofre é a chuva ácida. A seguir, entenderemos melhor esse composto. Os principais compostos de enxofre são: SO 2, SO 3, H 2 S, H 2 SO 4 e Sais de ácido sulfúrico (SO 4 2 ). Unidade 2 49

50 Universidade do Sul de Santa Catarina As principais fontes são: combustão de combustíveis fósseis; decomposição e combustão de matéria orgânica; aerossóis marinhos e erupções vulcânicas. Uma vez na atmosfera, esses compostos permanecem algum tempo, antes de se depositarem nos solos e no oceano. A reação mais importante dos compostos de enxofre é: - H 2 S + (O 2 ou O 3 ) = H 2 O + SO 2 Veja a seguir o comportamento de cada um dos compostos de SO 2 : 1. Gás sulfídrico (H 2 S) A reação mais importante do composto é: - H 2 S + (O 2 ou O 3 ) = H 2 O + SO 2 O gás sulfídrico oxida se rapidamente. No ar, essa oxidação é mais lenta: Por exemplo, 1 ppb de H 2 S exposta a 0,05 ppm de O 3 (aproximadamente partículas/cm 3 ) demora 2 horas para oxidar se. Como o gás sulfídrico é solúvel em água, neste ambiente a oxidação é bem mais rápida. 2. Dióxido de enxofre (SO 2 ) É o mais abundante composto emitido para a atmosfera por meios antrópicos. Seu destino na atmosfera é dissociar se rapidamente na presença de gotículas de água e oxidar se com O 2 na presença de algumas substâncias que propiciam o processo catalítico, tais como os sais metálicos, cloreto de ferro e manganês e sulfatos (Fe 3+, Mn 2+, NH 3 ). A reação geral pode ser assim descrita: 50

51 Controle da Poluição Atmosférica 2SO 2 + 2H 2 O + O 2 = 2H 2 SO 4 O dióxido de enxofre pode ser oxidado a SO 3 por meio de processos fotoquímicos. Esse efeito ocorre quando uma molécula absorve energia do sol (hv) e fica eletronicamente excitada, representada pelo asterisco (*), como acontece na seguinte reação do dióxido de enxofre: SO 2 + hv SO 2 * + O 2 = SO 3 Lembre se de que esse processo é mais acelerado. 3. Trióxido de enxofre (SO 3 ) Formado a partir do SO 2, reage com o H 2 S, formando, por sua vez, H 2 SO 4 (ácido sulfúrico) em ambiente com alta umidade relativa. O H 2 SO 4, então, combina se com gotículas de água presentes no ar ou vapor d água, formando solução de H 2 SO 4, que são pequenas gotas de aerossol. SO 2 + H 2 O = H 2 SO 4 (gás) H 2 SO 4 (gás) + H 2 O (vapor) = H 2 SO 4 (aquoso) É importante observar que: se NH 3 (amônia) estiver presente, formará (NH 4 ) 2 SO 4 (sulfato de amônia); se NaCl (cloreto de sódio) estiver presente, formará Na 2 SO 4 (sulfato sódico) e HCl (ácido clorídrico). Essa reação geralmente ocorre em dias limpos. Sulfatos em excesso encontrados nas águas das chuvas é um indicador de poluição e de eliminação do SO 2 da atmosfera. Observe: Unidade 2 51

52 Universidade do Sul de Santa Catarina Vulcões Sal marinho levado pelo vento Chuvas sobre os oceanos SO 2 XSO 4 Processos biológicos nas zonas costeiras H 2S Combustão de combustíveis fósseis SO 2 Chuvas sobre a terra SO 2 XSO 4 Assimilação pelas plantas e sedimentos secos SO 2 XSO 4 Emissões anaeróbicas de bactérias e plantas H2S SO 2 H2S SO 2 XSO 4 XSO 4 SO 2 Enxofre e seus compostos S depositados nos oceanos H 2S SO 2 Levado aos oceanos pelos rios Figura 2.3 Ciclo do Enxofre Fonte: Craxford, Modificado pelo autor. Chuva Ácida Deve ser chuva ácida! Fonte: University of Guelph, Modificado pelo autor. A chuva ácida é caracterizada por um ph abaixo de 4,5. É causada pelo enxofre proveniente das impurezas da queima dos combustíveis fósseis (carvão ou derivados de petróleo) e pelo nitrogênio do ar, que se combinam com o oxigênio para formar dióxido de enxofre (SO 2 ) e dióxido de nitrogênio (NO2). Esses se difundem pela atmosfera e reagem com a água para formar ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ) e ácido nítrico (HNO 3 ), que são solúveis em água. Um pouco de ácido clorídrico (HCl) também é formado. Uma possível reação de formação da chuva ácida é a que segue: 2NO O 2 + H HNO 3(aq) SO O 2 + H H 2 SO 4(aq) 52

53 Controle da Poluição Atmosférica Mesmo em atmosfera que não está poluída, as chuvas se apresentam com características ácidas, com ph em torno de 5,6. Isto ocorre devido à dissociação do dióxido de carbono no vapor d água, formando um ácido fraco, chamado ácido carbônico: CO 2(gás) + H 2 0 (aquosa) H 2 CO 3(aquoso) Segundo Lisboa (2008), o ph baixa, pois há a liberação do íon H + da reação: H 2 CO 3(aquoso) H + + HCO 3 - Mesmo se o CO 2 estiver em uma maior concentração na atmosfera do que o SO 2, o próprio SO 2 é quem mais contribuirá para as chuvas ácidas. Isso ocorre porque o SO 2 é muito mais solúvel em água do que o CO 2. (MANAHAN, 2001b apud LISBOA, 2008). A maioria das chuvas ácidas ocorre de gases que são resultado de atividades antropogênicas, muito embora possa ocorrer de forma natural, sendo produzida por compostos de enxofre e ácido clorídrico provenientes de atividades vulcânicas. (BAIRD, 2002 apud LISBOA, 2008). Monóxido de carbono O CO é o contaminante mais abundante na faixa mais baixa da atmosfera. As emissões artificiais de CO superam a quantidade da massa das emissões antropogênicas de todos os demais contaminantes combinados. Inicialmente, acreditava se que não existissem fontes naturais de emissão de CO, mais tarde verificou se que a fonte natural ocorre a partir de reações complexas de oxidação do metano (CH 4 ), que se inicia com um radical de hidroxila dos oceanos. Unidade 2 53

54 Universidade do Sul de Santa Catarina O monóxido de carbono é um gás incolor, inodoro e insípido que resulta da queima incompleta de combustíveis de fósseis, refino de petróleo, processos industriais, queima de biomassa etc. É encontrado em grandes concentrações nas cidades, emitido em sua maioria por veículos automotores. Sendo assim, altas concentrações de CO são medidas em áreas de tráfego intenso. (CETESB, 2009). O CO interfere na capacidade que o sangue tem de carregar o oxigênio para as células do corpo. Quando inalado, o CO se liga com a hemoglobina da corrente sanguínea, formando a carboxi hemoglobina (COHb), conforme se mostra na figura a seguir: Figura 2.4 Processo de envenenamento por monóxido de carbono Fonte: Nucleos Medical Media, Modificado pelo autor. É importante compreender que o CO tem 220 vezes mais afinidades com a hemoglobina do que o oxigênio, então, pequenas quantidades de CO inaladas podem provocar redução significativa da oxigenação. Com a corrente sanguínea carregando menos oxigênio, as funções cerebrais são afetadas inicialmente, com posterior injúria ao coração. (MASTERS, 1991). Uma concentração de 1000 ppm de monóxido de carbono no ar representa 0,1 % de CO em volume. O ar contém 21% de oxigênio em volume. Como 0,1% 220 (afinidade do CO pela hemoglobina) = 22%, 21% 22%, a concentração de 1000 ppm de CO resulta em aproximadamente 50% de carboxi hemoglobina, o que pode ser fatal. 54

55 Controle da Poluição Atmosférica O CO pode ser eliminado da atmosfera por reação com oxidrila. Observe: CO + OH = CO 2 + H Compostos de nitrogênio Os compostos de nitrogênio na atmosfera são relevantes, pois quase toda a emissão dos compostos de nitrogênio, também chamados de NO x, é antropogênica, e a principal fonte dessa emissão são os combustíveis fósseis. Na atmosfera, os principais compostos são: N 2 O; NO; NO 2 ; NH 3 ; sais NO 2, NO 3 e NH 4+. As principais fontes artificiais são: combustão do carbono; transformação e combustão do petróleo; combustão do gás natural; incinerações e queimadas. Veja a seguir o comportamento de cada um dos compostos de nitrogênio. Unidade 2 55

56 Universidade do Sul de Santa Catarina 1. Óxido nitroso (N 2 O) é um gás incolor, emitido em sua maioria por fontes naturais, principalmente por ação bacteriana no solo e reação entre N 2, O e O 3 em alta atmosfera. Este é o mesmo gás utilizado como anestésico (gás hilariante). O N 2 O é o mais abundante na baixa atmosfera, é importante fonte de NO (óxido nítrico). N 2 O + O = 2NO NO 3 N 2 O 4 N 2 O 5 sendo as moléculas NO 3, N 2 O 4, N 2 O 5, óxidos de nitrogênio. Essas moléculas são espécies mais instáveis e reagem com H 2 O, OH, formando HNO 2 (ácido nítrico) e HNO 3 (ácido nitroso). 2. Óxido nítrico (NO) gás emitido por fontes naturais e antropogênicas. A principal fonte antropogênica é a queima de combustíveis fósseis. O NO, sob a ação de luz solar, transforma se em NO 2 e tem papel importante na formação de oxidantes fotoquímicos como o ozônio. Dependendo das concentrações, o NO 2 causa prejuízos à saúde. 3. Dióxido de nitrogênio proveniente de fontes antropogênicas ou da oxidação de NO na atmosfera ou de outros óxidos como N 2 O 3, N 2 O 4, NO 3 e N 2 O 5, que são contaminantes em baixa concentração na atmosfera. O NO2 absorve com grande eficiência a radiação na faixa do ultravioleta e pode ser visto como uma névoa de cor marrom, presente nos eventos de smog fotoquímico. 4. Amônia (NH 3 ) é emitido principalmente por fontes naturais, resultado da decomposição biológica, e pode até chegar a ser contaminante, pois sua concentração é baixa. Porém, pode ser oxidado formando nitratos. 56

57 Controle da Poluição Atmosférica 5. Sais amoniacais e nitratos (NO 3 ) não são emitidos em quantidades suficientes para serem considerados contaminantes, ou podem ocorrer por conversão de NO, NO 2 e NH 3. Veja na figura a seguir como se dá o ciclo do nitrogênio como contaminante do ar: N 2 O Oxidação por oxigênio atômico Alta troposfera e estratosfera NO + NO 2 Oxidação por reação aquosa Oxidação em Smog fotoquímico Oxidação por O 3 Dias Partículas de Nitrato e Nitrito Fontes Naturais Fontes Naturais Fontes Artificiais NH 3 Fontes Naturais Retenção e arraste por água da chuva Figura 2.5 Ciclo do Nitrogênio como contaminante Fonte: Elaboração do autor. Hidrocarbonetos Os hidrocarbonetos são tão numerosos que não é possível estimar com precisão o ritmo de emissão de cada um deles. Os hidrocarbonetos participam ativamente das reações que geram o smog fotoquímico. Hidrocarbonetos são compostos formados exclusivamente de carbono e hidrogênio, aos quais podem juntar se átomos de oxigênio (O), nitrogênio (N) e enxofre (S), dando origem a diferentes compostos de outros grupos funcionais. As fontes de emissão dos hidrocarbonetos são principalmente ligadas a: queima de combustíveis fósseis; refinarias de petróleo; Unidade 2 57

58 Universidade do Sul de Santa Catarina produção e utilização de solventes; incinerações. Em geral, os hidrocarbonetos na forma gasosa são aqueles que possuem menos de cinco carbonos. Seguem alguns hidrocarbonetos que são contaminantes atmosféricos. a. Alcanos Parafinas com estrutura linear. Metano (CH4) Etano Propano n- Butano Figuras 2.6, Alcanos com estruturas lineares Fonte: Elaboração do autor. Estruturas não lineares. Você pode visualizar esse material em cores no EVA. 2,4, dimetilhexano 2 bromo, 3 cloropentano Figuras 2.10 e 2.11 Alcanos com estruturas não lineares Fonte: Elaboração do autor. 58

59 Controle da Poluição Atmosférica b. Cicloalcanos Ciclopropano Ciclobutano Ciclopentano Ciclohexano Figuras 2.12 e 2.13 Cicloalcanos Fonte: Elaboração do autor. c. Dupla ligação Alcenos ou Olefinas Eteno ou Etileno Propeno ou propileno 1- buteno 2 - buteno Figuras 2.14, 2.15, 2.16 e 2.17 Alcenos ou Olefinas Fonte: Elaboração do autor. d. Alcadienos 1-3-butadieno Figura 2.18 Alcadienos Fonte: Elaboração do autor. Unidade 2 59

60 Universidade do Sul de Santa Catarina e. Alcinos Acetileno Figura 2.19 Alcinos Fonte: Elaboração do autor. f. Estrutura circular Hidrocarbonetos aromáticos (benzeno) Figura 2.20 Benzeno Fonte: Elaboração do autor. Tolueno Ortoxileno Metaxileno Paraxileno Estireno Figuras 2.21, 2.22, 2.23, 2.24 e 2.25 Hidrocarbonetos aromáticos Fonte: Elaboração do autor. g. Hidrocarbonetos oxigenados Entre os hidrocarbonetos oxigenados, duas classes são consideradas importantes para os contaminantes atmosféricos do ar, que são os aldeídos e as cetonas. Veja a seguir alguns exemplos: 60

61 Controle da Poluição Atmosférica Formaldeído Acetaldeído Acetona Metiletilcetona Acroleína Figuras 2.26, 2.27, 2.28, 2.29 e 2.30 Fonte: Elaboração do autor. Curiosidade! Dos hidrocarbonetos acima, o formaldeído e a acroleína estão mais presentes no smog fotoquímico, causando irritação nos olhos. Material particulado Os materiais particulados distinguem se não só pela sua composição química mas também pelo seu tamanho, têm além disso, grande relevância para a saúde humana. As fontes primárias do material particulado são: cinzas móveis de carbono; emissão de indústrias siderúrgicas; queima de matéria orgânica, incêndios florestais; combustão do petróleo; combustão de óleo diesel; incinerações; fabricação de cimento; exploração de pedreiras e similares; sal marinho; poeiras de solo; partículas vulcânicas. Unidade 2 61

62 Universidade do Sul de Santa Catarina As fontes secundárias são produzidas na atmosfera por reações químicas que convertem gás em partículas. Veja a seguir. Sulfato a partir de H 2 S. Sulfato a partir de SO 2. Nitrato a partir de NO x. Amônio a partir de NH 3. Aerossóis orgânicos a partir de terpenos e outros hidrocarbonetos. Tamanho das partículas: os núcleos de condensação variam entre 10 3 a 10 2 µm; a neblina e as gotículas numa nuvem estão entre 10 1 a 10 2 µm; as poeiras em suspensão têm entre 1,6 a 10 2 µm; as cinzas e fuligem possuem tamanho entre 10 1 a 10 2 µm; o depósito de partículas no sistema respiratório ocorre entre 10 2 a 30 µm. Na sequência, você pode ver a classificação proposta pela CETESB (2009) para o material particulado. Acompanhe. Partículas totais em suspensão (PTS) Podem ser definidas de maneira simplificada, como aquelas cujo diâmetro aerodinâmico é menor que 50 µm. Uma parte dessas partículas é inalável e pode causar problemas à saúde. A outra parte pode afetar desfavoravelmente a qualidade de vida da população, interferindo nas condições estéticas do ambiente e prejudicando as atividades normais da comunidade. 62

63 Controle da Poluição Atmosférica Partículas inaláveis (MP10) Podem ser definidas de maneira simplificada, como aquelas cujo diâmetro aerodinâmico é menor que 10 µm. As partículas inaláveis podem ainda ser classificadas como partículas inaláveis finas MP2,5 (<2,5µm) e grossas (2,5 a 10µm). As partículas finas, devido ao seu tamanho diminuto, podem atingir os alvéolos pulmonares, já as grossas ficam retidas na parte superior do sistema respiratório. Fumaça (FMC) Este material particulado está associado ao material particulado suspenso na atmosfera, proveniente dos processos de combustão. O método de determinação da fumaça é baseado na medida de refletância da luz que incide na poeira (coletada em um filtro), o que confere a este parâmetro a característica de estar diretamente relacionado ao teor de fuligem na atmosfera. Ozônio troposférico Oxidantes fotoquímicos são uma mistura de poluentes secundários, formados pelas reações entre os óxidos de nitrogênio e compostos orgânicos voláteis (COVs), na presença de luz solar. O principal produto desta reação é o ozônio, por isso mesmo utilizado como parâmetro indicador da presença de oxidantes fotoquímicos na atmosfera. Esses poluentes formam a chamada névoa fotoquímica ou smog fotoquímico (CETESB, 2009). O termo smog fotoquímico é utilizado para definir a concentração de ozônio em baixa atmosfera, chamada troposfera, que é decorrente de reações entre diferentes poluentes emitidos de maneira antropogênica. A palavra smog é a junção das palavras na língua inglesa smoke (fumaça) mais fog (neblina) (LISBOA, 2008). Unidade 2 63

64 Universidade do Sul de Santa Catarina As principais fontes fixas de COVs (compostos orgânicos voláteis) são: a evaporação de solventes orgânicos; a fabricação de produtos químicos; a indústria do petróleo e suas atividades de armazenagem e por veículos automotores (fontes móveis). Os COVs têm alta pressão de vapor, sendo facilmente vaporizados em condições de temperatura e pressão ambientes. Trata se de mais de 600 compostos, sendo quase um terço deles substâncias tóxicas (LISBOA, 2008). Além de prejuízos à saúde, o ozônio pode causar danos à vegetação. É sempre bom ressaltar que o ozônio encontrado na faixa de ar próxima do solo, onde respiramos, chamado de mau ozônio, é tóxico. Entretanto, na estratosfera (a perto de 25 km de altitude), o ozônio tem a importante função de proteger a Terra, como um filtro, dos raios ultravioletas emitidos pelo Sol. Segundo Craxford (1980), o smog fotoquímico necessita de dias com alta temperatura, sol brilhante e baixa umidade relativa. Observe a imagem a seguir: 64

65 Controle da Poluição Atmosférica Motores veiculares, COVs provenientes de solventes orgânicos Motores veiculares a diesel, Usinas termelétricas Atividades industriais (SO2) Compostos orgânicos voláteis (COVs) Óxidos de Nitrogênio (NOx) Ozônio no nível do solo, partículas em suspensão Figura Esquema da formação do smog fotoquímico Fonte: Environmental Protection Departament, Modificado pelo autor. Para resumir, podemos fazer uma relação entre os ciclos dos poluentes. Segundo Craxford (1980), os componentes gasosos em baixa concentração na atmosfera podem ser divididos em dois grupos: Grupo 1. CO 2, CH 4, CO e N 2 O São gases relativamente inertes, com vida da ordem de meses a anos. O ritmo desse grupo é influenciado pelo ritmo da emissão das fontes naturais. Grupo 2. H 2 S, SO 2, NH 3, Hidrocarbonetos e NO Gases que se formam rapidamente e transformam se em partículas, durando de dias a semanas na atmosfera. A Tabela 2.1 ilustra os dois grupos. Unidade 2 65

66 Universidade do Sul de Santa Catarina Tabela 2.1 Fontes, concentração e principais reações dos gases em baixa concentração na atmosfera Gás Fontes Artificiais Fontes Naturais Concentração Vida estimada Mecanismos de eliminação SO2 Combustão do carbono e petróleo Vulcões 0,002 0,01ppm 3 dias Oxidação fotoquímica e catalítica a sulfato H2S Processos químicos Fontes biológicas 0,002 0,02ppm 1 dia Oxidação a SO2 CO Combustão Oxidação de CH4 oceânico e de grandes lagos 0,12 0,15ppm 0,1 ano Reação com OH na atmosfera e estratosfera, eliminação pelo solo NO NO2 Combustão Ação bacteriana no solo NO: 0,2 2 ppm NO2: 0,5 4 ppm 5 dias Oxidação a nitrato por reações fotoquímicas e em partículas de aerossol NH3 Tratamento de resíduos Decomposição biológica 6 20 ppm 2 semanas Reação com SO2 para formar (NH4)SO2 oxidação a nitrato N2O Nenhuma Ação biológica no solo 0,25 ppm 4 anos Fotodissociação na estratosfera CH4 Combustão, processos químicos Pântanos, lagos e oceano 1,7 ppm 1,5 anos Reação com OH Síntese Neste capítulo, você pode verificar que o tamanho das moléculas e partículas é fundamental no estudo dos poluentes. No que se refere à concentração de poluentes, você pode entender que os contaminantes estão interligados e que eles passam para a atmosfera por meio de fontes naturais ou artificiais, onde permanecem por algum tempo retornando para o solo e os mares. Por último, você pode ver que existe um grupo de poluentes principais. Nesse sentido, pode estudar as suas principais fontes de emissão. 66

67 Controle da Poluição Atmosférica Atividades de autoavaliação 1) O padrão para qualidade do ar para ozônio (O3), segundo a resolução CONAMA n. 003/90, é aproximadamente 0,08 ppm. Expresse a concentração em µg/m 3 a 1 atm e 20 C. Unidade 2 67

68 Universidade do Sul de Santa Catarina 2) Suponha que a média da concentração do monóxido de carbono medido em 8 horas é de µg/m 3, a 25 C, 1 atm e 1200m de altitude. Este valor excede o padrão de 9 ppm? 68

69 Controle da Poluição Atmosférica Saiba mais IPCC, 2007: Summary for Policymakers. In: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of working group i to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change [Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M.Tignorand H.L. Miller (eds.)]. United Kingdom and New York, NY, USA: Cambridge University Press. MASTERS, G.M. Introduction to environmental engineering and science. Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice Hall International Editions, Unidade 2 69

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71 UNIDADE 3 Meteorologia e poluição atmosférica 3 Objetivos de aprendizagem Entender a movimentação atmosférica e sua relação com a dispersão de poluentes. Diferenciar as variadas condições de estabilidade atmosférica. Estimar emissões de poluentes em determinados pontos de dispersão. Seções de estudo Seção 1 Seção 2 Meteorologia e poluição do ar Transporte e dispersão de poluentes na atmosfera

72 Universidade do Sul de Santa Catarina Para início de estudo Nesta unidade, você entenderá por que os estudos meteorológicos e climatológicos são fundamentais para o entendimento da concentração dos poluentes atmosféricos em diferentes locais e em diferentes instantes. Você já deve ter percebido que, em determinadas épocas do ano, a concentração de poluentes aumenta consideravelmente em alguns locais, enquanto que, em outros, permanece constante ou até inexistente. Essas diferenças se devem à dinâmica dos movimentos atmosféricos associada à mesoescala, isto é, à escala dos fenômenos meteorológicos relacionados ao relevo. Seção 1 Meteorologia e poluição do ar A qualidade do ar varia tremendamente, dia após dia, mesmo que você se encontre em local onde as emissões de poluentes são relativamente constantes, ou seja, a quantidade de poluentes lançada na atmosfera é a mesma no decorrer do tempo. A determinação dessas diferenças se deve ao fato de que existe uma relação com tempo, tais como: Se os ventos são fortes, ou não, qual é a direção em que ele está soprando? Qual é o perfil vertical da temperatura? Quanto de luz solar está disponível para as reações fotoquímicas? Quanto tempo podem demorar os ventos e as precipitações para limpar esta parcela de ar? Imagine uma parcela de ar movendo se na atmofera. À medida que ela sobe na atmosfera, a temperatura altera se como consequência dos seguintes fatores: 72

73 Controle da Poluição Atmosférica a) transferência de calor: a diferença de temperatura entre a parcela e o meio promove a transferência de energia da parcela para o meio; b) expansão: pressão atmosférica diminui com a altitude, como resultado a parcela expande, enquanto sobe. A expansão provoca a diminuição da temperatura; c) condensação: à medida que a temperatura decresce, a umidade na parcela condensa para manter as condições de saturação. A condensação é acompanhada por uma libertação de energia equivalente à entalpia de condensação. A libertação de energia reduz a velocidade de diminuição da temperatura; d) entalpia: energia interna total de um sistema. A variação da entalpia de um sistema é o calor liberado ou absorvido quando uma transformação ocorre; nesse caso, o calor é liberado, pois, quando condensa, o vapor d água libera calor: calor latente de condensação. Vento Vento é simplesmente o ar em movimento, porém, sua formação e desenvolvimento estão intimamente ligados aos processos climáticos. Numa escala global, as diferenças dos padrões de vento dependem de alguns fatores: absorção de calor de forma diferenciada na superfície terrestre, por meio da radiação solar diminuindo da região do Equador para as regiões dos polos; a rotação da Terra; diferenças dos calores específicos, ou seja, a capacidade de absorver calor de diferentes superfícies terrestres e oceanos. Unidade 3 73

74 Universidade do Sul de Santa Catarina Observe que, em mesoescala, os ventos e o desenvolvimento dos padrões de circulação dependem da topografia local, a saber: altura das montanhas; cobertura de nuvens; grandes corpos d água; deserto; florestas etc. É importante compreender que esses fatores topográficos influenciam os ventos em poucas centenas de quilômetros, alguns sazonais, outros permanentes. Em microescala, os fenômenos ocorrem em áreas menores que 10 quilômetros de extensão, onde os padrões de vento podem desviar acentuadamente, devido a diversos efeitos de atrito da superfície terrestre, como, por exemplo: solo em processo de preparo para plantações; pequenas irregularidades topográficas; desenvolvimento urbano; efeito diferenciado da absorção de calor em desertos ou em cidades; lagos etc. O movimento do ar em níveis de meso e microescala são os que mais devem ser levados em consideração para o controle da poluição atmosférica. Vale destacar que o estudo da movimentação atmosférica num espaço geográfico menor pode ajudar a entender o movimento dos poluentes. A variação da velocidade horizontal do vento junto à variação de sua altura são importantes na avaliação da dispersão das 74

75 Controle da Poluição Atmosférica diferentes camadas de ventos. Próximo ao solo, os efeitos do atrito com a superfície podem causar mudanças de direção. Em níveis superiores, ou seja, entre 200 a 500m acima da superfície, a velocidade do vento alcança os máximos valores. Lembre se de que é importante saber a direção predominante dos ventos para poder estimar a dispersão dos poluentes. Nesse sentido, é necessário coletar e classificar os dados de ventos com sua velocidade e direção, sendo que, por meio dos dados médios, pode se construir um diagrama polar, chamado rosa dos ventos. Temperatura Quando falamos de temperatura, é importante observar que a variação vertical da temperatura é muito maior do que a variação horizontal. Nesse sentido, estudar os gradientes verticais de temperatura torna se fundamental, pois esses gradientes possibilitam a ocorrência dos movimentos verticais numa parcela de ar. Segundo Lisboa (2006), quando o ar ascende ou descende, sofre uma variação de temperatura determinada pelo gradiente adiabático. (LISBOA, 2006). Para Masters (1980), a facilidade com que um poluente pode ser disperso verticalmente na atmosfera é altamente determinado pelo gradiente, que altera a temperatura em altitude. Em alguns perfis de temperatura, o ar é estável, isto é, algumas forças físicas agem sobre o ar que ganharia altitude, fazendo com que ele permaneça no mesmo nível de elevação. Esse caso desfavorece a dispersão de poluentes. Em outros perfis de temperatura, o ar é instável, isto é, há uma rápida acepção vertical e consequente mistura de massas de ar, favorecendo a dispersão de poluentes. O conceito de gradiente adiabático está a seguir, nesta página. Unidade 3 75

76 Universidade do Sul de Santa Catarina Gradiente adiabático Vamos entender inicialmente o conceito físico de uma transformação adiabática. Nesse processo, o gás não troca calor com o meio externo, seja porque ele está termicamente isolado ou porque o processo ocorre suficientemente rápido, de forma que o calor trocado possa ser considerado desprezível. Em uma expansão adiabática, o volume do gás aumenta, a pressão diminui e a temperatura diminui. Você já deve ter percebido esse fato, quando utiliza um spray de desodorante. No momento em que a válvula do spray é acionada, libera um gás que se expandiu. Ora, para se expandir, ele precisa de energia, que é retirada de si mesmo. Assim, a pressão diminui e você percebe que o spray em suas mãos ficou gelado, pois sua temperatura diminuiu. Já, na compressão adiabática, ocorre o contrário: o volume diminui, a pressão e a temperatura aumentam. Para exemplificar, pense em uma bomba para encher pneus de bicicleta. No momento que você usa a bomba, percebe que o cilindro dela aumenta sua temperatura, pois está sendo comprimido. Em processos desse tipo, podem ocorrer variações de energia interna sem se acrescentar ou retirar calor no sistema. Esses processos são chamados de adiabáticos. Ao contrário disso, os processos nos quais se verificam fornecimento e retirada de calor são chamados de não adiabáticos ou diabáticos. Próximo à superfície do solo, são os processos diabáticos que predominam, pois o ar troca calor com o solo continuamente. Se a temperatura do ar próximo ao solo for menor do que a temperatura do próprio solo, então, o solo será a fonte de calor para o ar. Caso contrário, o solo atuará como dreno, ou sumidouro, pois o calor irá do ar para o solo. 76

77 Controle da Poluição Atmosférica Nas camadas superiores da atmosfera, que estão distantes das fontes ou dos drenos, as trocas de calor são desprezíveis, predominando, então, os processos adiabáticos. Conheça os. a. Gradiente adiabático seco (Adiabatic lapse rate) γ d (taxa adiabática seca) As parcelas de ar que sobem na atmosfera encontram condições cada vez mais baixas de pressão e, consequentemente, expandem se. O aumento da temperatura da parcela inicial de ar ocorre pela absorção de calor proveniente da superfície terrestre. Ao subir, a parcela de ar resfria a uma taxa de 1 C a cada 100m de altura, sem trocar calor com o meio, e é conhecida como expansão adiabática seca. Essa parcela pode se aquecer e descer com o mesmo gradiente, conforme você pode visualizar na relação a seguir: γ d = (I) T = 1,0º C Z 100 m Em que γ d = gradiente adiabático seco T = temperatura Z = altura b. Gradiente adiabático saturado γ s (taxa adiabática úmida) Se o ar estiver saturado, poderá haver condensação e, consequentemente, liberação de energia para o ambiente, na forma de calor latente. Assim, a variação de temperatura ocorrida se deve em parte às expansões ou compressões do ar, como no adiabático seco. O que também influencia a variação de temperatura é a liberação de calor latente. Esse fenômeno é conhecido como processo de expansão do ar saturado. Nesse caso, para uma pressão de 1000 milibares e temperatura de 10 C, o gradiente da adiabática saturada é de 0,60 C /100 m. Como indicado pela equação a seguir: Unidade 3 77

78 Universidade do Sul de Santa Catarina γ s = (II) T = 0,6º C 100 m Z Em que γ s = gradiente adiabático saturado T = temperatura Z = altura c. Gradiente vertical de temperatura γ (temperatura do ambiente) A distribuição da temperatura na vertical quase nunca se aproxima do gradiente adiabático nos primeiros 100m acima da superfície, para qualquer período de tempo. O gradiente vertical de temperatura é o decréscimo da temperatura com a altura que ocorre na atmosfera em repouso. Você pode visualizar essa relação na equação a seguir: γ = (III) T = XºC 100 m Z Em que γ = gradiente vertical de temperatura T = temperatura Z = altura Temperatura potencial (θ) Para se compararem as temperaturas do ar em diferentes níveis, não se pode simplesmente medi las em níveis diferentes e compará las diretamente. 78

79 Controle da Poluição Atmosférica Lembre se de que a temperatura varia com a pressão e a pressão por sua vez varia com a altura. Então, para poder fazer as comparações de temperaturas, deve se transformar todas as temperaturas para uma mesma pressão. Essas temperaturas são chamadas de temperaturas potenciais. Portanto: Para verificar a estabilidade atmosférica é preciso utilizar a temperatura potencial. Sendo assim, é importante você compreender que, para se encontrar essa temperatura, ou seja, a temperatura potencial, deve se transformar adiabaticamente (1 C/100m) o seu estado inicial (uma temperatura em qualquer nível) para uma pressão padrão que, em meteorologia, é de 1000 mb (1000hpa). Estabilidade atmosférica Estabilidade é a condição na qual os movimentos atmosféricos estão praticamente ausentes ou definitivamente não existem. Ao contrário, a instabilidade pode ser definida como o estado da atmosfera em que os movimentos verticais ocorrem. Essa caracterização se faz de acordo com a distribuição vertical da temperatura, ou seja, com o gradiente de temperatura vertical observado em cada camada de ar. Gradiente vertical de temperatura = γ, da equação (III). γ = T Z Já podemos então estabelecer o conceito de inversão térmica, pois já se nota que γ é negativo quando a temperatura do ar cresce com a altura. Portanto, se a temperatura decresce com a altura, então, γ é positivo, evidenciando instabilidade. Unidade 3 79

80 Universidade do Sul de Santa Catarina É importante você compreender que uma camada superior pode ter temperaturas maiores do que uma inferior. Compreenda melhor esse assunto: suponha que uma camada da atmosfera tenha um perfil de 5000m de espessura, conforme mostra a figura a seguir: Figura 3.1 Situação de estabilidade absoluta Fonte: Departamento de Física UFPR, Observe que são mostradas duas linhas. Se a parcela de ar é forçada a deslocar se para cima a partir da posição, ela sofrerá um resfriamento por expansão adiabática, como mostra a linha tracejada (linha que define o gradiente adiabático). Cada vez que essa parcela de ar sobe, sua temperatura torna se menor do que a temperatura do ar circunvizinho. Continuando o raciocínio: 80

81 Controle da Poluição Atmosférica Portanto, quanto mais a temperatura diminui, mais ela se torna densa. Consequentemente, mesmo que a temperatura fosse empurrada acima do Nível de Condensação Livre (NCL), ela permaneceria mais fria e densa do que o ar ambiente e teria tendência a retornar à superfície. Quando uma massa de ar tem seu gradiente térmico inferior ao gradiente adiabático seco, então, dizemos que essa massa de ar está estável. Isso significa que as condições de densidade do ar inibem quaisquer movimentos verticais que se iniciem. Dessa forma, a atmosfera não favorece o movimento vertical da parcela. Agora, observe a figura a seguir: Figura 3.2 Situação de instabilidade absoluta Fonte: Departamento de Física UFPR, Observe que os valores do gradiente térmico são superiores aos do gradiente adiabático. Nesse caso, a parcela de ar é dita como instável. Essa parcela de ar, quando sobe, fica cada vez menos densa que o ar circunvizinho, afastando se cada vez mais de sua posição original. Assim, a atmosfera favorece o movimento vertical da parcela. Unidade 3 81

82 Universidade do Sul de Santa Catarina Na figura, é possível observar outra situação, em que a parcela de ar se encontra numa condição em que a atmosfera está neutra, ou seja, o gradiente vertical de temperatura é igual ao gradiente adiabático seco. Nesse caso, a parcela de ar, ao subir ou descer, terá sempre a mesma temperatura do meio que a envolve, portanto, a mesma densidade. Ainda: a atmosfera não oferecerá resistência, nem favorecerá o movimento vertical da parcela. Sendo assim, podemos concluir: γ < γ d camada estável γ = γ d camada neutra γ > γ d camada instável Estabilidade do ar saturado Os critérios utilizados para determinar estabilidade ou instabilidade atmosféricas em condições de umidade relativa próxima a 100%, ou seja, saturada, são semelhantes aos critérios utilizados para atmosfera seca, somente substituindo se a adiabática seca, pela adiabática saturada. Assim: γ < γ s camada estável γ = γ s camada neutra γ > γ s camada instável 82

83 Controle da Poluição Atmosférica Diferentes condições de estabilidade As condições de estabilidade e instabilidade dividem se entre as adiabáticas seca e saturada, à medida que a camada de ar ganha altura. Inicialmente, a parcela de ar desloca se para cima, seguindo a adiabática seca, até atingir o nível de condensação, ou altura da base da nuvem. Nesse caso, a temperatura da parcela de ar é sempre inferior ao ar atmosférico ao redor, o que caracteriza a atmosfera como absolutamente estável (γ < γ S ), conforme mostra a figura a seguir: Figura 3.3 Perfil de 5000m da atmosfera em condição de estabilidade absoluta Fonte: Eastern Felinois University, Adaptado pelo autor. A partir do nível de condensação, a adiabática percorrerá a adiabática saturada. Como a temperatura interna da parcela é maior do que a temperatura da atmosfera ao redor, ganhando aceleração cada vez maior, a atmosfera passa a ser absolutamente instável (γ > γ S ), como mostra a figura a seguir: Unidade 3 83

84 Universidade do Sul de Santa Catarina Figura 3.4 Perfil de 5000m da atmosfera em condição de instabilidade absoluta Fonte: Eastern Felinois University, Adaptado pelo autor. A transição entre as duas parcelas chama se nível de convecção livre (NCL), ou nível de condensação, porque, acima desse nível, a parcela se desloca livremente. A instabilidade somente ocorrerá se a parcela de ar for forçada a subir além desse ponto. Nesse caso, é chamada de instabilidade condicional, mostrada na figura a seguir: 84 Figura 3.5 Perfil de 5000m da atmosfera em condição de instabilidade condicional Fonte: Eastern Felinois University, Adaptado pelo autor.

85 Controle da Poluição Atmosférica É importante você compreender que, caso a parcela de ar não atinja o NCL, ela tenderá a voltar a sua posição inicial, ou seja, à característica principal de uma camada de ar estável (VIANELO; ALVES, 1991). Ainda, segundo Vianelo e Alves (1991), quando a camada inferior ao nível de condensação for instável, neste ponto formam se nuvens cumulus humilis. A chamada cumulus de bom tempo. Se, acima do nível de condensação, persistir uma condição de instabilidade, formam se nuvens cumulus congestus, ou seja, nuvens que indicam possível precipitação e intenso aumento da nebulosidade. Essas nuvens têm maior ascensão vertical. Existe uma camada mais profunda de instabilidade condicional, onde se formam nuvens do tipo cumulus nimbus, nuvens que provocam chuvas muito intensas, com possibilidade de pancadas de vento e até granizo. Inversão térmica As inversões térmicas podem causar graves problemas de poluição atmosférica, com aumento de concentração de poluentes. Mas a inversão térmica é um fenômeno natural e não deve ser considerada como causa de poluição. Conforme você já viu anteriormente, os movimentos horizontais de ar na atmosfera são condicionados pelos ventos; já os movimentos verticais dependem fundamentalmente da temperatura. Em condições normais, o ar próximo à superfície é mais quente e menos denso, fazendo com que essa camada suba, o que favorece a dispersão dos poluentes. Visualize na figura a seguir a dispersão de poluentes em condição normal e de inversão térmica: Unidade 3 85

86 Universidade do Sul de Santa Catarina Figura 3.6 Dispersão de poluentes em condição normal e de inversão térmica Fonte: Companhia Ambiental do Estado de São Paulo, As inversões podem ocorrer durante todo o ano, mas, principalmente, em dias de inverno, a superfície da terra esfria, perdendo calor para a atmosfera, até não servir mais como fonte de calor. Como resultado, camadas inferiores da atmosfera podem ter temperaturas menores do que camadas superiores. Essa inversão de temperatura impede que o ar que está abaixo e é mais denso, suba e se disperse, como você pôde ver na figura anterior. Em um ambiente com um grande número de indústrias e de circulação de veículos, como o das cidades, a inversão térmica pode levar a altas concentrações de poluentes e ocasionar problemas de saúde (CETESB, 2009). Para Lisboa (2006), os exemplos típicos de gradientes térmicos verticais de temperatura são os que seguem. Observe: a) Superadiabático a condição superadiabática favorece a convecção forte, instabilidade e turbulência. Essa condição geralmente fica restrita aos primeiros 200m da atmosfera. 86

87 Controle da Poluição Atmosférica b) Neutro condição na qual o gradiente térmico da atmosfera está próximo ao gradiente adiabático seco. Ela implica a inexistência de tendência de um volume ganhar ou perder flutuação. c) Subadiabático condição na qual a temperatura diminui mais gradualmente que 0,98 C/100m. É, na realidade, levemente estável. d) Isotérmico quando a temperatura ambiente é constante com a altura, a camada é constante com a altura, a camada é denominada isotérmica, como no caso subadiabático, existe uma pequena tendência para um volume resistir ao movimento vertical. e) Inversão uma camada atmosférica na qual a temperatura aumenta com a altura, resiste fortemente ao movimento vertical e tende a suprimir a turbulência. Assim sendo, é de particular interesse para a poluição atmosférica, uma vez que essa situação limita em muito a dispersão. Figura 3.7 Gradientes térmicos verticais de temperatura Fonte: Lisboa, Unidade 3 87

88 Universidade do Sul de Santa Catarina Seção 2 Transporte e dispersão de poluentes na atmosfera Segundo Lisboa (2006), os possíveis impactos ambientais de fontes de poluição, sejam elas fontes impactantes que ainda serão construídas ou que já existem, dependem, fundamentalmente, de simulações de concentrações, feitas por meio de modelos matemáticos. Essas modelagens simulam a dispersão de poluentes em qualquer situação de terreno e atmosfera, porém, como todo modelo matemático, possuem limites. Após serem emitidos por uma fonte, os poluentes passam a comportar se, em termos de seu transporte e sua dispersão, de acordo com os parâmetros meteorológicos locais. Fatores meteorológicos podem influir no sentido de provocar fortes valores de contaminação: movimentos verticais; movimentos horizontais responsáveis, a partir do instante da emissão; turbulência atmosférica, transporte do poluente e sua dispersão. Para entendermos os processos de dispersão de poluentes, um elemento fundamental é a forma em que a fumaça é emitida pela chaminé e se espalha numa determinada região. Essa forma chama se pluma, assunto que estudaremos a seguir, com mais detalhes. 88

89 Controle da Poluição Atmosférica Plumas O comportamento final de uma pluma, ao sair de uma chaminé, pode ser subdividido em dois componentes principais: 1. ascensão da pluma: tendência ascensional ditada por parâmetros do próprio efluente, por dimensões da chaminé e pela influência dos parâmetros meteorológicos no instante da emissão; 2. difusão e transporte da pluma: aquisição de um movimento transversal, acompanhado de difusão em torno de sua linha de centro, que caracteriza o componente de difusão e transporte. Para compreender melhor o comportamento da pluma, é preciso que se estudem esses dois componentes separadamente. Entretanto, antes de estudar os principais componentes de dispersão da pluma, é preciso que você conheça quais os principais tipos de pluma existentes. Acompanhe. Tipos de plumas Segundo Lisboa (2006), os tipos de plumas representam as diferentes formas de dispersão de plumas, que ocorre de acordo com as condições atmosféricas. Mais adiante, você poderá acompanhar a explicação de cada um dos tipos de plumas, visualizando o fenômeno nas figuras que se seguem. Acompanhe: Atenção: em todas as imagens, a linha pontilhada representa o gradiente adiabático, e a linha cheia representa a temperatura do ambiente. Unidade 3 89

90 Universidade do Sul de Santa Catarina 1. Serpenteante (Looping) Aqui, a condição de atmosfera é instável, ou seja, superadiabática. Apresenta ventos fracos e pode ter alta concentração de poluentes. Essa condição é típica de dias de verão, com forte turbulência mecânica. Observe: Serpenteante altura temp Figura 3.8 Condição serpenteante Fonte: Atmospheric Sciences, Adaptado pelo autor. 2. Em forma de Cone ou cônico (conning) Nesse caso, as condições atmosféricas são semelhantes às em que ocorre a pluma serpenteante, entretanto, mais moderadas. Ocorre em dias ensolarados, mas nublados, como, por exemplo, dias de tempestade semelhantes aos da estação do verão. É, também, comum na primavera ou outono, quando há presença de nuvens cumulus. Essa condição é perfeitamente visível ao cair da tarde, quando a atmosfera é quase neutra. E os ventos têm intensidade média. Cônico altura temp Figura 3.9 Condição cônica Fonte: Atmospheric Sciences, Adaptado pelo autor. 90

91 Controle da Poluição Atmosférica 3. Tubular (Fanning) Essa forma de dispersão de pluma ocorre em situação de grande estabilidade atmosférica, onde se verifica ausência de efeitos dos movimentos mecânicos. É bem visível ao entardecer, noite e amanhecer. Tubular altura temp Figura 3.10 Condição tubular Fonte: Atmospheric Sciences, Adaptado pelo autor. 4. Fumegante (Fumigation) É a condição mais perigosa, pois ocorre quando a pluma fica aprisionada em uma camada de inversão na qual essa camada se rompe pela parte inferior, deixando a pluma livre e impelindo a para baixo. Nesse caso, as concentrações de poluentes aumentam. É um clima típico das primeiras horas após a saída do sol, a qual provoca instabilidade junto ao solo, após uma noite com inversão ou grande estabilidade. Observe. Fumegante altura temp Figura 3.11 Condição fumegante Fonte: Atmospheric Sciences, Adaptado pelo autor. Unidade 3 91

92 Universidade do Sul de Santa Catarina 5. Antifumegante (Lofting) Neste caso, a pluma possui energia suficiente para atravessar a camada de inversão. A parte inferior da pluma fica aprisionada na parte superior da inversão e essa parte da pluma segue difundindo se. É o melhor caso de dispersão de plumas, pois as chaminés são da ordem de 200 metros. É uma condição típica do entardecer. Antifumegante altura temp Figura 3.12 Condição antifumegante Fonte: Atmospheric Sciences, Adaptado pelo autor. 6. Trapping Nesse caso, a atmosfera se encontra levemente estável, abaixo da camada de inversão. Observe. Trapping altura temp Figura 3.13 Condição Trapping Fonte: Atmospheric Sciences, Adaptado pelo autor. O quadro a seguir apresenta de forma resumida as principais características de cada tipo de dispersão de pluma. Acompanhe. 92

93 Controle da Poluição Atmosférica Quadro 3.1 Tipos de plumas Fonte: Lisboa, Agora que você já conheceu os principais tipos de dispersão de plumas e suas características, é necessário retomar os estudos sobre os seus dois principais componentes: ascensão da pluma e a difusão e transporte de pluma. 2.1 Ascensão da pluma: altura efetiva da chaminé Para Lisboa (2006, p.16), Observe a figura a seguir: A caracterização da altura de subida da pluma em termos das propriedades dos gases emitidos e do estado atmosférico presente é um problema complexo. Para simplificar o tratamento da dispersão, é conveniente assumir que a dispersão inicia em uma altura fictícia acima da fonte, em vez de subir e dispersar como realmente ocorre. Essa altura fictícia é chamada de altura efetiva da chaminé. A tendência ascensional da pluma ao sair de uma chaminé, cria aquilo que chamamos de altura de pluma efetiva. Unidade 3 93

94 Universidade do Sul de Santa Catarina Figura 3.14 Altura efetiva da chaminé Fonte: Lisboa, A altura efetiva da chaminé é calculda a partir da seguinte equação: H ou h ef = h g + h (IV) Em que: h g, ou H = altura geométrica da chaminé (altura física da chaminé); h = ascensão da pluma (altura de elevação da pluma em relação ao topo da chaminé) h ef =altura efetiva da pluma A altura efetiva da chaminé é definida como a altura na qual a pluma torna se passiva e passa a seguir o movimento do ar atmosférico. Três são os fatores que influem sobre o comportamento de uma pluma: 1. os dependentes da chaminé; 2. os dependentes das condições meteorológicas e do meio; 3. os dependentes exclusivamente do efluente. 94

95 Controle da Poluição Atmosférica Os fatores técnicos que influenciam o comportamento de uma pluma são: temperatura e velocidade de emissão dos gases; tipo do terreno e edifícios próximos ao foco de emissão susceptíveis de criar turbulências mecânicas; focos locais de calor; forma da chaminé; numero de chaminés; fatores meteorológicos;»» velocidade e direção dos ventos;»» rugosidade do terreno;»» gradiente vertical temperatura; composição do efluente. 2.2 Dispersão e transporte de poluentes atmosféricos (dispersão horizontal) A dispersão da pluma ocorre em direção vertical e horizontal. A taxa em que a dispersão ocorre depende de fatores como: velocidade do vento; insolação; outros fatores que causam distúrbio e turbulência no ar (morros, edifícios etc.); altura efetiva da chaminé; intensidade da fonte; gradiente térmico etc. Unidade 3 95

96 Universidade do Sul de Santa Catarina Para estimar a dispersão dos poluentes, é necessária a utilização de modelos matemáticos. Dentre alguns modelos, destaca se o modelo gausiano, que tem como hipótese um movimento do ar homogêneo e estacionário, fluxo de emissão constante, contaminante quimicamente estável e topografia constante. O modelo gaussiano Para o gestor ambiental, o modelo gaussiano deve ter como objetivo as seguintes diretrizes: avaliação da eficiência de técnicas e estratégias propostas para o controle das emissões; estudo dos impactos ambientais (eia) para um novo empreendimento; determinação de responsabilidades frente aos níveis atuais de poluição; planejamento da ocupação territorial urbana. O modelo gaussiano popularizou se na década de 70 e hoje é empregado pela maioria dos órgãos reguladores para estudo de dispersão atmosférica, inclusive pela EPA Agência de proteção ambiental EUA. O modelo tem como hipótese: a turbulência homogênea e estacionária; fluxo de emissão contaminante quimicamente estável; topografia constante. A distribuição da concentração da pluma ao redor do eixo central pode ser vista como uma gaussiana, com os valores de distribuição sendo considerados afastamentos do eixo da pluma. A figura a seguir apresenta uma representação esquemática da 96

97 Controle da Poluição Atmosférica dispersão de uma pluma, segundo uma distribuição gaussiana (LISBOA, 2006). Observe. Figura Pluma Gaussiana Fonte: Ministry of the environment, Adaptado pelo autor. A equação emissão pontual contínua ou clássica utilizada para o cálculo das concentrações em um ponto de coordenadas (x, y, z) é a seguinte: C (x, y, z) = Q. exp y 2. ex (z - H) 2 + exp (z + H) 2 2πuσyσz 2σy 2 2σz 2 2σz 2 (V) Em que: C (x,y,z) = concentração média do poluente, a sotavento da fonte, no ponto de coordenadas (x,y,z) (µg/m 3 ); x = distância a sotavento (lado oposto de onde vem o vento) da fonte (m); y = distância horizontal do eixo central da pluma (m); z = distância acima do solo (m); Unidade 3 97

98 Universidade do Sul de Santa Catarina Q = vazão de emissão (vazão de lançamento do gás) (µg/s); u = velocidade média do vento (m.s 1 ); H = altura efetiva da chaminé (m); σy, σz = coeficientes de dispersão (desvios padrões da distribuição gaussiana das concentrações) horizontal e vertical (m). Em geral, o cálculo de concentração do poluente é efetuado para um ponto no nível do solo (z = 0) e no ponto de valor máximo de concentração que, na maioria das vezes, ocorre na linha central abaixo da pluma (y = 0). As coordenadas, neste caso, seriam: (x, 0, 0). Observe essas coordenadas na figura anterior. Como se considera somente a componente X da direção da velocidade do vento, a equação se simplifica, permanecendo da seguinte forma: C (x, y, z) = Q. exp 1. H 2 (VI) πuσyσz 2 σz Na equação, EXP significa o logaritmo neperiano e : - EXP - a = e a b b Dessa forma, temos: C (x, 0, 0) = Q. e πuσyσz 1. H 2 2 σz (VII) O modelo gaussiano é aplicável para cálculos de concentração sobre períodos, variando de 10 minutos a uma (01) hora. 98

99 Controle da Poluição Atmosférica Para Lisboa (2006, p. 26), Os coeficientes de dispersão horizontal (σ y ) e vertical (σ z ) podem ser estimados utilizando se o modelo de Briggs (1974) ou de Pasquill Gifford. Observe. Figura 3.16 Modelo de dispersão gaussiano para determinar coeficientes de dispersão horizontal (σ y ) e vertical (σ z ) segundo Pasquill Gifford Fonte: Turner 1970, apud Masters, Adaptado pelo autor. Observe que, no gráfico acima, o tempo de amostragem varia de 15 minutos a 1 hora, e os resultados são válidos para distâncias de no máximo 10 km. No gráfico, observe também que há a demarcação das letras de A até F. Essas letras correspondem à classificação da estabilidade atmosférica, chamada de Pasquill. Essa classificação define os estados, como visto no quadro a seguir: Quadro 3.2 Categorias de radiação solar Fonte: Zannetti, 1990 apud Lisboa, Os gráficos (modelos de dispersão) da Figura 3.16 são usados para gerar as equações mostradas no quadro a seguir. Unidade 3 99

100 Universidade do Sul de Santa Catarina Quadro 3.3 Classe de Estabilidade Atmosférica de Pasquill-Gifford Fonte: Zannetti, 1990 apud Lisboa, Legenda do quadro 3.3: 1 : Forte insolação corresponde a um ângulo de elevação solar acima do horizonte, de 60 ou mais. Fraca insolação corresponde a um ângulo de elevação solar acima do horizonte, entre 15 e 35. Como é mostrado também no quadro : Caso especial em que os poluentes são emitidos em noites sem nuvens, com menos de 2,0 metros por segundo. A tabela a seguir apresenta os coeficientes de dispersão para as classes de estabilidade de Pasquill A F, utilizados em modelos do EPA. As relações foram propostas por Briggs e são válidas para médias de 10 minutos. Observe: Tabela 3.1 Parâmetros de Briggs Fonte: Lisboa, Adaptado pelo autor. 100

101 Controle da Poluição Atmosférica Vento É necessário corrigir a velocidade do vento medida a 10m de altura para a velocidade no topo da chaminé. A fórmula usada para essa correção é: u = v. z 1 p z 2 (VIII) Em que: v = velocidade do vento a 10m de altura; u = velocidade do vento a ser determinada; Z 1 = altura em que será determinada a velocidade do vento V1; Z 2 = altura em que foi determinada a velocidade do vento V2; p = coeficiente dependente do tipo de estabilidade atmosférica. Observe o quadro a seguir. Quadro 3.4 Expoente p para as classes de Estabilidade Atmosférica Fonte: Lisboa, Unidade 3 101