Ciências do Ambiente

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1 Universidade Federal do Paraná Engenharia Civil Ciências do Ambiente Aula 18 O Meio Atmosférico: parte II Profª Heloise G. Knapik 1

2 Poluição atmosférica Mecanismos de circulação Camadas Perfil de temperatura Topografia e características locais

3 Distribuição percentual média de gases da atmosfera terrestre Gases (%) Nitrogênio (N 2 ) 78,11 Oxigênio (O 2 ) 20,95 Argônio (Ar) 0,934 Gás Carbônico (CO 2 ) 0,033

4 Camadas da atmosfera com importância ambiental: Troposfera 95% do ar Estratosfera Ozônio Região responsável pelas mudanças no tempo Absorção de raios ultravioleta Poluição atmosférica

5 Perfil de temperatura na atmosfera Meteorologia e dispersão de poluentes na atmosfera

6 Meteorologia e dispersão de poluentes na atmosfera Gradiente de temperatura adiabático seco: decréscimo da temperatura com a altitude (-1ºC para cada 100 metros de acréscimo) O gradiente de temperatura adiabático seco serve como fronteira entre o ar estável e o ar instável (> 1ºC/100m) (< 1ºC/100m) (ar quente acima do ar frio) Adiabático: não ganham nem perdem calor

7 Meteorologia e dispersão de poluentes na atmosfera

8 Meteorologia e dispersão de poluentes na atmosfera Inversão Térmica Importância ambiental: aumento da concentração de poluentes próximo ao solo Exemplo: 1952 em Londres, a inversão térmica concentrou poluentes da combustão de carvão (enxofre) provocando a morte de pessoas (The Great Smog)

9 Meteorologia e dispersão de poluentes na atmosfera Processos de dispersão

10 Meteorologia e dispersão de poluentes na atmosfera Pluma tipo LOOPING Perfil térmico SUPERadiabático (atmosfera instável) - Muita turbulência na atmosfera - Ocorrem em dias de céu claro com poucas nuvens e muita insolação (típicos de verão) - Aumento da concentração de poluentes perto do solo em locais próximos da fonte

11 Meteorologia e dispersão de poluentes na atmosfera Pluma do tipo CONNING Perfil térmico SUBadiabático (atmosfera neutra) - Menor dispersão - Aumento da concentração de poluentes perto do solo em locais distantes da fonte - Ocorre em dias nublados, com ventos moderados

12 Meteorologia e dispersão de poluentes na atmosfera Pluma tipo FANNING Perfil de Inversão térmica e estabilidade - Atmosfera estável associado a isotermia - Ocorre a noite ou ao amanhecer associado a uma inversão térmica (ventos fracos e céu claro) - Aparência estreita, com pequena difusão na vertical - Dispersão lenta, valores altos de concentração no interior da pluma - Pequena probabilidade de contato com o solo (exceto chaminés baixas)

13 Meteorologia e dispersão de poluentes na atmosfera Pluma do tipo LOFTING Perfil de inversão térmica - Lançamento acima da camada de inversão - Ocorre ao anoitecer (quando a inversão por radiação se inicia)

14 Meteorologia e dispersão de poluentes na atmosfera Pluma do tipo FUMIGATION Quebra da inversão térmica - Ocorre nas primeiras horas da manha (ventos fracos à moderados), devido à dissipação da camada de inversão térmica formada durante a noite - Elevados teores de poluentes ao nível do solo (perfil perigoso)

15 Meteorologia e dispersão de poluentes na atmosfera Pluma do tipo TRAPPING Camada de inversão térmica - Pluma retida entre duas camadas de inversão térmica - Atmosfera é estável e não ocorre muita dispersão dos poluentes

16 Modelagem matemática do transporte de poluentes atmosféricos Avaliar impactos ao meio ambiente Simular os mecanismos de circulação de poluentes Simulação e previsão de alterações climáticas

17 Modelagem matemática do transporte de poluentes atmosféricos ADVECÇÃO: movimento médio do ar carregando os poluentes junto com o vento médio DIFUSÃO TURBULENTA: espalha os poluentes no espaço de maneira tridimensional Modelagem do transporte de poluentes depende da descrição da circulação da atmosfera dentro da região de interesse

18 Modelagem matemática do transporte de poluentes atmosféricos Dados de VENTO e de COEFICIENTES DE DIFUSÃO TURBULENTA podem ser obtidos por: - Medições no local - Obtidos por modelos de circulação atmosférica - Estimados de modo simplificado Variáveis influenciadas por fatores locais como a presença de edificações e de relevo caminhos preferenciais de circulação

19 Modelagem matemática do transporte de poluentes atmosféricos Distribuição vertical de temperaturas podem inibir ou intensificar o movimento vertical de massas de ar afetam a capacidade de TRANSPORTE DE POLUENTES Aquecimento solar intensifica a TURBULÊNCIA

20 Modelagem matemática do transporte de poluentes atmosféricos CONCENTRAÇÃO DE POLUENTES também depende de: FORMA DE EMISSÃO no meio CONSTANTE ou VARIÁVEL NO TEMPO POSIÇÃO ESPACIAL que o despejo ocupa TAXA DE EMISSÃO

21 Modelagem matemática do transporte de poluentes atmosféricos Pluma Gaussiana integração analítica da equação de transporte C x, y, z = Q 2πUσ y σ z exp y2 2σ² y exp 1 2 H z σ z 2 + exp 1 2 H + z σ z 2

22 Efeitos locais da poluição atmosférica

23 Poluição local Formados por episódios críticos de poluição em cidades Dependem dos poluentes gerados Função das condições climáticas existentes para a sua dispersão Smog industrial Smog fotoquímico Podem ocorrer de forma simultânea ou separadamente, em diferentes estações do ano, em uma mesma região

24 Smog industrial Nevoeiro associado a material particulado e gases, principalmente em regiões industriais ou com grande queima de óleo (geração de energia)

25 Smog industrial Típico de regiões frias e úmidas Ocorrência no inverno (condições adversas para a dispersão dos poluentes inversão térmica) Resulta da queima de carvão e óleo combustível Regiões industrializadas ou nas proximidades de usinas termelétricas Principais componentes são o SO 2 e material particulado

26 Smog fotoquímico É a poluição do ar, sobretudo em áreas urbanas, por ozônio troposférico e outros compostos originados por reações fotoquímicas (reações químicas causadas pela luz solar).

27 Smog fotoquímico Típico de cidades ensolaradas, quentes e de clima seco Ocorre devido aos veículos automotores que emitem: - Hidrocarbonetos, óxidos de nitrogênio e monóxido de carbono Na presença de luz solar dão origem a novos poluentes: - Ozônio e peroxiacetil nitrato (PAN)

28 Controle da Poluição Atmosférica: Smog industrial e Smog fotoquímico Smog industrial Lançamentos industriais Dióxido de enxofre (SO 2 ) Material particulado Smog fotoquímico Queima de combustíveis sistema de transporte

29 Controle da Poluição Atmosférica: Smog Industrial Controle da emissão de SO2: Redução do consumo/utilização de alternativas Remover o enxofre antes da queima ($$) Chaminés mais elevadas Lavadores de gases (remoção de 90%): mistura de água e calcário para a formação de sulfato de cálcio

30 Controle da Poluição Atmosférica: Smog Industrial Controle da emissão de Material particulado: Aumentar a eficiência da combustão Substituir combustíveis/ alternativas sustentáveis Remover o material particulado: precipitadores eletrostáticos, filtros de manga, separador ciclônico, lavadores de gases

31 Controle da Poluição Atmosférica: Smog fotoquímico Controle das emissões no sistema de transporte: Sistemas alternativos/coletivos Motores mais eficientes e menos poluentes Controle no escapamento: queimadores e conversores catalíticos Composição do combustível

32 Efeitos globais da poluição atmosférica

33 Poluição global Efeito estufa Destruição da camada de ozônio na estratosfera Chuva ácida

34 Gases de efeito estufa: - Dióxido de carbono (CO 2 ) - Metano - Óxido nitroso - Clorofluorcarbono (CFCs) Efeito estufa Aumento da temperatura global: Alteração de biomas, biodiversidade, aumento do nível dos oceanos, intensificação de processos de desertificação, intensificação de eventos climáticos extremos

35 Destruição da camada de ozônio Funções do ozônio na estratosfera: - Atenuador da radiação ultravioleta - Utiliza a radiação UV nas reações químicas associadas aos processos de formação e destruição dele mesmo Os CFCs são estáveis na atmosfera ordem de 100 anos Uma molécula de cloro pode destruir até 10 mil moléculas de ozônio

36 Destruição da camada de ozônio Processo de destruição do ozônio: clorofluorcarbonos (CFCs) aceleram o processo (descoberto em 1974) + Cl + O 3 ClO + O 2 ClO + O Cl + O 2 O + O 3 2 O 2 Os CFCs são estáveis na atmosfera ordem de 100 anos Uma molécula de cloro pode destruir até 10 mil moléculas de ozônio

37 Destruição da camada de ozônio Medidas de contenção: Assinatura do Protocolo de Montreal em 1987 comprometimento de 188 países para redução das emissões de CFCs Estabelecimento de cronograma para o congelamento do consumo e banimento definitivo das substâncias responsáveis pela depleção da camada de ozônio CFCs: gases utilizados em aparelhos de ar-condicionado, refrigeração, aerossóis, equipamentos eletrônicos e de plásticos.

38 Origem: Chuva ácida - Gases nitrogenados e sulfonados reagem com o vapor de água na atmosfera produzindo ácidos nítrico e sulfúrico - Chuva com ph inferior a 5,6 (chuvas em regiões industriais da Europa chegam a apresentar ph na ordem de 3)

39 Chuva ácida Reações: Ácido Sulfúrico Ácido Nítrico

40 Chuva ácida Consequências: - Perda de produtividade agrícola (acidificação de solos), lixiviação de nutrientes - Acidificação da água (lagos e reservatórios para abastecimento e produção de energia): desgaste no concreto, tubulações, turbinas e bombas. - Alteração de ecossistemas aquáticos e destruição da vegetação - Destruição de obras civis e monumentos

41 Chuva ácida Controle: - Controle da emissão de óxidos de nitrogênio e dióxido de enxofre - Emissões locais, mas problema global mecanismos de circulação atmosférica - 50% das chuvas ácidas no Canadá são originárias de emissões nos EUA - Destruição de florestas da Escandinávia a partir de emissões geradas na Inglaterra e na Alemanha

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