SELEÇÃO DE LOCAIS PARA O MONITORAMENTO DE PARTÍCULAS TOTAIS EM SUSPENSÃO

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1 ENERGÉTICA IND. E COM. LTDA. Rua Gravataí, 99 Rocha. CEP Rio de Janeiro RJ CNPJ / IE Fone: (0xx21) ; Fax: (0xx21) SELEÇÃO DE LOCAIS PARA O MONITORAMENTO DE PARTÍCULAS TOTAIS EM SUSPENSÃO TRADUÇÃO DO DOCUMENTO DA US EPA SELECTING SITES FOR MONITORING TOTAL SUSPENDED PARTICULATES (EPA-450/ , June 1977, revised December 1977) TRADUTOR: JOSÉ WALDERLEY COÊLHO DIAS Rio de Janeiro, 01 de Junho de 2013.

2 i ABSTRATO São sugeridos critérios para a localização de estações para a medição em grande volume de Partículas Totais em Suspensão (PTS), baseado nas necessidades de amostragem. Estas necessidades são determinadas e classificadas de acordo com os fins para os quais as medições deverão ser feitas. O primeiro passo no processo de seleção do local é identificar a finalidade do monitoramento e relacioná-lo ao tamanho da área para a qual as medições deverão representar. Deve também ser dada atenção ao tamanho das partículas e às exigências especiais de se monitorar os impactos de grandes fontes individuais. Inclui-se uma matriz para ajudar o leitor a relacionar diferentes finalidades às escalas de representatividade apropriadas e a outros fatores considerados importantes ao processo de seleção de local. São apresentados procedimentos para a seleção de locais representativos de regiões urbanas, suburbanas e interurbanas; é discutida também a seleção de locais ao longo de corredores de tráfego. São também apresentados métodos para se encontrar locais onde o impacto de fontes individuais importantes seja mais pronunciado. A importância de partículas menores é enfatizada por causa de seus maiores efeitos à saúde e ao meio ambiente relativos a sua massa. São apresentadas recomendações específicas para alturas de amostragem, distâncias a partir de fontes e colocação relativa a áreas urbanas, juntamente com a fundamentação técnica destas recomendações.

3 ii PREFÁCIO O objetivo deste relatório é produzir um documento com recursos técnicos abrangentes e atualizados para assistir a EPA, as agências estaduais e locais de controle da poluição e outros usuários a desenvolverem melhores e mais efetivas redes de monitoramento de PTS. Os dados podem ser utilizados pela EPA no futuro visando a desenvolver normas e critérios para o monitoramento de PTS. Entretanto, este relatório em si não constitui a norma oficial de monitoramento de Agência.

4 iii ÍNDICE ABSTRATO PREFÁCIO ÍNDICE SUMÁRIO i ii iii v INTRODUÇÃO I.1 A Necessidade de Seleção Cuidadosa de Locais de Monitoramento I.1 B Abordagem do Problema I.1 II CARACTERÍSTICAS ESPECIAIS DAS PARTÍCULAS II.1 A Método de Medição de PTS II.1 B Tamanho das Partículas II.3 C Fontes das Partículas II.7 III DECISÃO SOBRE OS TIPOS DE MEDIÇÃO DE PTS A SEREM REALIZADAS III.1 A Emprego das Medições de Partículas Totais em Suspensão III.1 1. Avaliação da Qualidade do Ar e Tendências da Qualidade do Ar III.1 2. Desenvolvimento e Avaliação de Controle III.1 3. Saúde Pública III.1 4. Pesquisas III.1 5. Miscelânea III.2 B Classificação de Propósitos de Monitoramento III.2 1. Escala de Representatividade Apropriada III.2 2. Os Tamanhos de Partícula Mais Importantes III.4 3. Monitoramento Orientado com Respeito a Fontes III.5 C Importância Relativa das Diferentes Classes de Objetivos de Monitoramento III.5 D Relacionando a Finalidades de Monitoramento de PTS à Escala de Medição III.8 Apropriada 1. Determinação da Conformidade com os Padrões da Qualidade do Ar III.8 2. Prover Dados para a Preparação das Termos de Impacto Ambiental III Determinar Impactos de Fontes Específicas III Determinar Efeitos no Meio Ambiente III Prover Dados para Melhor Entendimento dos Processos que Afetam III.10 as Concentrações de PTS 6. Avaliar Resultados de Medidas de Controle III Determinar Tendências de Longo Prazo das Concentrações de PTS III Avaliar Efeitos em Humanos III Avaliar Efeitos em Animais e Plantas III Avaliar Representatividade de Locais Existentes III.11 IV PROCESSO DE SELEÇÃO DE LOCAIS DE ESTAÇÕES iv.1 A Estações Regionais iv.1

5 iv ÍNDICE (continuação) B Estações Suburbanas iv. 7 C Estações Orientadas à Fonte iv.19 D Estações de Média Escala (Escala-média) iv Geral iv Locais Especiais em Rodovias iv Outros Problemas Especiais iv.30 V FUNDAMENTAÇÃO TÉCNICA DOS CRITÉRIOS DE SELEÇÃO DE LOCAIS v.1 A Introdução v.1 B Locais para o Amostrador v.1 1. Background v.1 2. Distanciamento de Estradas Pavimentas v.2 3. Distanciamento de Estradas Não Pavimentadas v.4 4. Distanciamento de Regiões Urbanas v.5 5. Efeitos de Obstruções v.5 C A Importância de Fontes a Várias Distâncias do Amostrador v.7 APÊNDICES APÊNDICE A: MODELING THE POLLUTION CLIMATOLOGY ASSOCIA- TED WITH STACK EMISSIONS A-1 APÊNDICE B: BIBLIOGRAFIA B-1 REFERÊNCIAS

6 v SUMÁRIO Uma avaliação da literatura sobre poluição do ar revela que as partículas totais em suspensão (PTS) na atmosfera são coletadas e monitoradas atendendo aos mais variados fins. Além disso, revela que são raras as ações para se assegurar que os locais onde as partículas são coletadas satisfaçam o propósito da amostragem. Pouco se tem feito para se classificar as finalidades da medição de PTS, de tal forma que se possa propor um conjunto de tipos de estação que satisfaça os variados fins. A necessidade de um conjunto de definições uniformes de estação é certamente grande. Os custos dos equipamentos das estações, a compra ou o aluguel dos abrigos dos equipamentos, os custos de manutenção e os custos das análises dos dados coletados podem totalizar muitas dezenas de milhares de dólares. A escolha pouco adequada do local de uma estação pode significar desperdício de grande parte desses dispêndios, principalmente se os dados não puderem ser usados para a finalidade prevista. A maioria das aplicações dos dados de monitoramento de PTS cai em uma das seguintes categorias: Avaliação da conformidade com os padrões da qualidade do ar Determinação das tendências da qualidade do ar Desenvolvimento e avaliação das medidas de controle Estudos sobre a saúde pública Pesquisas científicas Miscelânea A lista acima de categorias de objetivos de monitoramento é baseada nos problemas para os quais os dados são relevantes, mas outros sistemas de classificação são também possíveis. Em particular, poderíamos classificar os dados de acordo com o que queremos que eles representem. Por exemplo, os dados a serem utilizados na determinação dos efeitos das PTS na saúde pública deverão representar as condições nas áreas de exposição do público. Os dados a serem utilizados na avaliação do impacto de uma única fonte deverão representar áreas onde o impacto é mais pronunciado. Se a classificação da finalidade do monitoramento é fundamentada em termos do que os dados deverão representar, então será mais estreitamente relacionada com os requisitos físicos dos locais de monitoramento. O conceito de representatividade espacial fornece uma base útil para a classificação das estações e das aplicações dos dados. Além do mais, o conceito tem uma base física que pode servir para definir as características das estações. Em geral, as escalas de medição de maior importância são: Escala regional, para fornecer medidas das concentrações de PTS representativas de uma área usualmente rural, grande, de geografia razoavelmente homogênea, se estendendo por dezenas a centenas de quilômetros. Escala urbana, para definir as condições gerais de uma cidade, numa escala de dezenas de quilômetros; em geral, mais de um local é necessário para tal definição. Escala suburbana, para definir concentrações em alguma extensão de área urbana com uso relativamente uniforme do solo; as dimensões são da ordem de quilômetros. Escala média, geralmente para definir concentrações representativas de áreas com dimensões de dezenas a centenas de metros. Esta categoria abrange medidas para definir concentrações ao longo de ruas e estradas; as áreas que se enquadram podem ser alongadas, medindo dezenas de metros por centenas de metros ou mesmo quilômetros, A avaliação dos efeitos de muitos tipos de poeiras fugitivas pode cair nesta categoria.

7 vi Microescala, para definir concentrações em volumes com dimensões da ordem de metros a dezenas de metros. Naturalmente, o conceito de escala pode ser estendido de modo a incluir a Escala Global, mas, para a presente abordagem, as escalas enumeradas acima são suficientes. De fato, são aqui enfatizadas a Escala Suburbana e a Escala Regional. As condições de Escala Urbana, conforme se pode notar, não pode ser especificada com medições em apenas um local, mas pode ser sintetizada a partir de medições representativas das Escalas Suburbanas. Quando a Escala Suburbana é bem representada, não é necessário encontrar o local de Escala Urbana ideal. A Microescala não é considerada em detalhe neste relatório por várias razões. A mais importante das razões surge por causa da ênfase dada ao método de medição com o amostrador de grande volume padrão, que requer que as amostras sejam coletadas durante períodos longos de 24 horas. Uma média em tal período tem uma resolução temporal inconsistente com a resolução espacial de microescala. A variabilidade temporal que se combina com a variabilidade espacial que se procura definir com medições de microescala será totalmente obliterada com a medição de 24 horas. Outras razões existem para não se propor critérios para medições de microescala. Por exemplo, tais medições são frequentemente realizadas para fins de pesquisas especiais, tornando quase impossível a definição de um conjunto generalizado de requisitos de localização. A Escala Média não é enfatizada por razões semelhantes às citadas acima para se excluir a microescala. A inconsistência entre as escalas espacial e temporal se aplica. Casos existem onde as amostras são coletadas para se determinar os impactos de alguma fonte individual grande de particulados fontes elevadas são objetos especialmente frequentes de tal monitoramento, Embora a escala a ser representada seja geralmente a Escala Suburbana, os métodos usados para se determinar estes locais orientados com relação à fonte são tão diferentes que requerem uma categoria separada, fora das categorias definidas unicamente na base da representatividade espacial. A base mais importante para os padrões da qualidade do ar são os impactos de um poluente na saúde pública, que leva a uma consideração a mais na classificação dos locais de monitoramento de PTS e na derivação de critérios físicos para esses locais. Para fins de monitoramentos relacionados com os padrões da qualidade do ar ou com a avaliação dos efeitos na saúde, os locais devem ser determinados de tal modo que representem uma exposição do público razoavelmente realista e também que as amostras sejam representativas dos particulados mais danosos à saúde humana. Estudos têm indicado que as partículas menores com diâmetros menores que uns poucos micrometros são mais respiráveis, constituindo-se as de maior risco para a saúde. O método da amostragem de grande volume para a medição de PTS com o objetivo de avaliar a conformidade com os padrões da qualidade do ar enfatiza as partículas maiores. Mede-se massa por unidade de volume. Visto que a massa de uma única partícula de 10 m é igual à de 1 milhão de partículas de 0,1 m, as partículas maiores são pesadas pelo método de medição numa maneira inconsistente com seus efeitos na saúde. As partículas menores têm também efeitos (por unidade de massa) mais pronunciados na visibilidade, na atenuação da radiação solar e nos processos de condensação de nuvens do que as partículas maiores. Visto que a metodologia de amostragem usual enfatiza partículas maiores, o que poderá ser enganoso, deve-se, para alguns tipos de monitoramento, toda vez que possível, tentar minimizar tais efeitos no processo de localização. Outros fatores, além da escala de representatividade, dos requisitos para avaliação de fontes e do tamanho de partículas, são importantes para a definição das características requeridas para os diferentes tipos de local de monitoramento. Um destes outros fatores surge porque virtualmente todos os monitoramentos rotineiros de PTS são direta ou indiretamente relacionados com a saúde ou com a exposição do público, e, portanto, as amostras coletadas à altura da respiração tornam-se mais apropriadas. Sistemas de captação ao nível da respiração constituem-se obstáculos em muitos locais, bem como podem ficar expostos a vandalismo. Tem-se sugerido que uma altura de 2 m se amolda razoavelmente a estes dois requisitos conflitantes. Obviamente, o amostrador não pode ser localizado sempre com exatos 2 m de altura. Caso fique com altura entre 2 e 15 m, e fique bem distante de qualquer fonte nas proximidades, as concentrações da zona de respiração serão razoavelmente representadas.

8 A adoção de critérios uniformes para a localização de monitores da qualidade do ar proporcionaria uma consistência não encontrada em dados levantados até hoje. Com consistência, será possível comparar dados de diferentes locais, com a garantia de que as diferenças entre os conjuntos de dados refletirão alguma coisa além das características de locais anômalos. Numa recomendação de critérios de localização, foi feita uma tentativa para se manter consistência onde for possível com outros esquemas de classificação de locais, principalmente aqueles desenvolvidos no Workshop sobre Localização, realizado pela EPA em 1976, bem como com os de Ott (1975) e com os de Ludwig and Kealoha (1975). Os últimos autores se centraram nos problemas de monitoramento de monóxido de carbono, com algumas inevitáveis diferenças com relação ao monitoramento de PTS, felizmente poucas e não tão sérias. Para se partir de conceitos tais como representatividade espacial ou diferentes faixas de tamanhos de partículas, até se chegar a um conjunto de requisitos concretos de localização, é necessário tomar-se algumas decisões; estas decisões tornam-se mais fáceis de serem tomadas se puderem ser traduzidas em termos quantitativos bem simples. As mais generalizadas das traduções utilizadas proporcionaram equivalência entre a contribuição que uma determinada fonte dá às concentrações num monitor e a distância àquela fonte. A partir desta relação, as contribuições permissíveis máximas (em m/m 3 ) puderam ser convertidas em distâncias mínimas (em m) entre o monitor e certos tipos de fonte. Por exemplo, as estações regionais deverão ser localizadas com bastante distância de áreas urbanas, de modo que as concentrações causadas por emissões dentro destas áreas permaneçam abaixo de 5% dos Padrões Nacionais da Qualidade do Ar Ambiente (PNQAA) secundários, ou seja, abaixo de 3 m/m 3. Da mesma forma, as estações suburbanas não deverão ser localizadas tão próximas de fontes grandes a tal ponto que as emissões destas fontes cheguem a causar aumento nas concentrações medidas de mais de 10% dos padrões anuais primários, ou seja, 7,5 m/m 3. Entre as fontes de PTS em áreas urbanas encontra-se a poeira de rua levantada pelo tráfego. Exames de amostras coletadas (Draftz, 1975) indicaram a presença de grandes quantidades de tal material, de modo que os amostradores devem ficar distantes de estradas próximas, caso se queira que representem algo mais geral do que as condições de rua. As relações entre a distância mínima entre fontes e monitores e as concentrações de impactos máximos das fontes foram frequentemente derivadas de relações empíricas encontradas em dados coletado no passado, porém foram também utilizadas as conhecidas equações de difusão gaussiana para se estabelecer algumas das especificações de localização. As relações, empíricas ou teóricas, têm sido também utilizadas para se derivar as distâncias mínimas necessárias para manter a influência de fontes individuais abaixo de certos níveis em estações de monitoramento suburbana ou regional. Nos casos de localização de um monitor orientado com relação à fonte, as mesmas relações podem ser virtualmente aplicadas com o propósito contrário isto é, para identificar áreas onde se dá o maior impacto de uma fonte única. Nas discussões sobre o monitoramento orientado com relação à fonte, apresentadas nesse relatório, são identificados dois tipos de impacto. O primeiro é o efeito de curto prazo, correspondendo a um padrão de 24 horas, e o segundo é o efeito de longo prazo, ou anual. A razão para a distinção entre os dois é que os impactos de longo prazo máximos de fontes elevadas podem ser bastante diferentes dos efeitos de curto prazo máximos, não apenas em magnitude, mas também em sua localidade. Os efeitos de curto prazo máximos geralmente ocorrem mais próximos a chaminés e outras fontes elevados do que os efeitos de longo prazo máximos. Este relatório fornece os detalhes de como se identificar áreas de impacto máximo para o monitoramento orientado com relação à fonte. São também apresentados procedimentos passo a passo para a identificação adequada de estação suburbana, estação regional e estação de corredor de tráfego. Recomenda-se ao leitor, que tenha que enfrentar de maneira adequada o problema da seleção de locais para monitoramento de PTS, a ler o relatório completo. vii

9 viii As características físicas principais dos dois mais importantes tipos de local são tabuladas abaixo. Monitor Suburbano Tipo Ott: Escala de representatividade: C Estação de exposição à população residencial Suburbana Localização amostrador: do 2 a 15 m acima do nível do chão, distante de grandes obstáculos pelo menos duas vezes a altura do obstáculo, 20 m do tráfego mais próximo, 400 m da estrada principal mais próxima com tráfego de veículos por dia ou mais. Outros requisitos: Uso do solo razoavelmente homogêneo dentro de 1 a 2 km do local. Grandes cidades de usos do solo diversos devem provavelmente ter bastante estações desse tipo a fim de caracterizar a variedade de subúrbios na cidade. A superfície na área em volta de estação deve ter baixa cobertura vegetal a fim de evitar interferências de poeiras fugitivas. São valiosas as estatísticas de tráfego nas ruas próximas e medidas de vento. Monitor Regional Tipo Ott: Escala de representatividade: E Estações de fundo não urbano Regional Localização amostrador: do 2 a 15 m acima do nível do chão, distante de grandes obstáculos pelo menos duas vezes a altura do obstáculo. Pelo menos 10 km da cidade mais próxima na direção a jusante menos frequente dos ventos; caso se planeje mais de uma estação, veja discussão no texto para as direções preferidas; 0,5 km da rodovia interurbana mais próxima com ou mais veículos por dia; 4 km de qualquer estrada pública não pavimentada; e pelo menos 40 a 50 m de estradas públicas pavimentadas mesmo de baixíssimo tráfego. Outros requisitos: superfície logo abaixo do instrumento livre quanto possível de poeira, desejável baixa cobertura vegetal. Monitor Orientado com Relação à Fonte Tipo Ott: Escala de representatividade: F Estação específica para levantamento de fonte. A Estação tipo F de Ott parece direcionada mais para fontes ao nível do solo do que previsto para um monitor de PTS orientado para a fonte. Geralmente proposta para representar os efeitos de Escala Suburbana de uma única fonte.

10 ix Localização amostrador: do 2 a 15 m acima do nível do chão, distante de obstáculos pelo menos duas vezes a altura do obstáculo. Deve ser colocado em área de máximo impacto da fonte que será diferente para impactos de longo prazo e de curto prazo. Métodos baseados no uso de características de fontes e de informações climatológicas para a identificação de áreas de máximo impacto são abordados no texto. Se possível o local deve ficar distante de rodovias principais e de outras fontes que venham a obscurecer os objetos da fonte de interesse. Outros requisitos: Bem mesmo que para Monitores Regionais e Suburbanos. São úteis as medições do vento na fonte. Os resumos de características físicas acima mencionam fatores tais como tráfego nas proximidades, homogeneidade do uso do solo nas vizinhanças em torno, cobertura vegetal local e área de máximo impacto de uma fonte. Como é indicado de maneira clara no texto, estas são algumas das muitas considerações necessárias para a determinação apropriada de estações de monitoramento. Não se tem simplesmente que ir lá fora e posicionar um amostrador de grande volume com 2 m de altura no ar e ligá-lo. Alguns lugares são muito melhores do que outros para isso e este relatório descreve procedimentos passo a passo para a identificação dos melhores locais para os diferentes tipos de estações. Em todos os casos, o primeiro passo do processo de seleção é juntar dados demográficos, dados de tráfego, dados de uso do solo, mapas topográficos e dados climatológicos. Estas informações são usadas para a identificação geral de áreas desejáveis e para reduzir seu número e seus tamanhos até que seja realizada uma seleção final. Feito isso, os dados tornam-se razoavelmente representativos das condições desejadas. A premissa geral que serviu de base para a categorização dos locais e definição de seus requisitos físicos foi de que as finalidades das coletas de dados poderiam ser classificadas de acordo com apropriadas escalas de representatividade ou relações com fontes individuais. De fato, a aplicação do conceito de representatividade no problema de localização também envolve relações entre o monitor e as fontes, de modo que os locais suburbanos e regionais são posicionados com a intenção de que devam representar os efeitos conjuntos das emissões sobre áreas que se estendem por quilômetros ou dezenas de quilômetros a partir do monitor. Essencialmente, a finalidade por trás do sistema de classificação de locais apresentados aqui é a de fornecer uma identificável lista de emissões para cada monitor. Para estações suburbanas, estima-se que as fontes dentro de cerca de dois quilômetros forneçam mais do que a metade das concentrações medidas de PTS durante 30 a 40 por cento do tempo, a menos que haja fontes individuais elevadas impactando no monitor. Em suma, as orientações aqui apresentadas servirão de uma boa base técnica para a seleção de locais que possam ser classificados num número limitado de tipos comparáveis. A padronização das características físicas assegurará que a comparação entre locais do mesmo tipo não seja anuviada por anomalias nos dados surgidos de peculiaridades no processo de localização. Além disso, as orientações aqui propostas são suficientemente consistentes com outras orientações propostas, de que deve haver pouca dificuldade de se combinar os esquemas de localização tendo em vista o monitoramento conjunto de diferentes tipos de poluentes. O uso do esquema de classificação proporciona mais do que a garantia de compatibilidade de dados e a permissão de comparações razoáveis entre estações do mesmo tipo. Também fornece uma base física para a interpretação e aplicação de todos os dados. Isto deve servir para impedir divergências entre o que os dados realmente representam e a interpretação que se faz do que representam. Se cuidadosamente considerada, a seleção de locais de monitoramento poderá impedir, por exemplo, que um plano de larga escala seja usado na solução de problemas de pequena escala. Isto, por si só, justifica esforços necessários na seleção apropriada de locais de monitoramento.

11 Pág. I.1 I INTRODUÇÃO A. Necessidade de Seleção Cuidadosa de Locais de Monitoramento A poluição do ar tem se tornado um tema de considerável preocupação por causa de seus adversos efeitos na saúde e propriedade públicas. Leis têm sido passadas visando a prover base legal para a instituição de ações para reduzir a poluição a níveis aceitáveis. No caso das partículas PTS, os Padrões Nacionais de Qualidade do Ar Ambiente (PNQAA) foram estabelecidos em 260 µg/m 3 para a média de 24 horas e 75 µg/m 3 para a média anual. Os correspondentes PNQAA secundários são 150 e 60 µg/m 3. O monitoramento pode indicar se níveis aceitáveis estão sendo ultrapassados e fornecer medições necessárias para se desenvolver ou avaliar os planos de controle que serão efetivos. Obviamente, os dados de monitoramento têm grande importância e sua coleta merece grande atenção. Naturalmente surge a questão: Algumas medições são mais adequadas para seu objetivo do que outras? Obviamente, a resposta é sim ; senão este relatório não teria sido escrito, sendo o objetivo das medições definir as características dos locais mais adequados. Alguns exemplos extremos de não-adequação são fáceis de imaginar, como, por exemplo, um monitor de particulado num campo aberto e poeirento produzindo dados a partir dos quais serão derivados planos de controle regional, ou a coleta de amostras para avaliação de efeitos na saúde respiratória numa área onde a carga de poeira total é dominada por partículas não-respiráveis muito grandes. Os usos de dados de monitoramento são de grande importância, mas esta importância pode ser diminuída por localização inadequada. A importância dos dados exige que seja dada igual importância à seleção de locais. Por esta razão, espera-se que os selecionadores de locais estejam dispostos a investir uma boa quantidade de tempo e esforço na tarefa. Os procedimentos aqui recomendados são relativamente simples, porém requerem a aquisição e interpretação de massas consideráveis de dados. B. Abordagem do Problema Encontrar os critérios de localização apropriados para estações de monitoramento se inicia com a pergunta por que os poluentes de interesse são monitorados. Os critérios de localização são regras que descrevem o local físico apropriado para um monitor, e eles devem ser fisicamente relacionados às razões para o monitoramento. O segundo passo para se encontrar os critérios de localização apropriados para diferentes propósitos de monitoramento é a categorização daqueles propósitos de acordo com um sistema de classificação com base em termos físicos. Portanto, é necessário identificar critérios de localização física correspondendo a cada conjunto de objetivos. Como prelúdio ao desenvolvimento de critérios de localização, foram levantados os usos de dados de partículas totais em suspensão (PTS). Geralmente, na interpretação dos dados de PTS supõese que as medições representam áreas e volumes que se estendem muito além da área limitada e do pequeno volume realmente amostrado. A área considerada como representada pode ir de intermediária em tamanho, como um subúrbio, a toda uma região do país. Os métodos para a localização de estações desenvolvidos durante este estudo foram baseados na premissa de que as principais finalidades para o estabelecimento de um certo local de monitoramento podem ser identificadas e então associadas a uma escala de representatividade que seja a mais adequada para aqueles propósitos. Assim, o processo de seleção de um local começa pela identificação da finalidade do monitoramento. Esta finalidade fornece uma base para a seleção de um tipo de estação, baseado na área que as medições devem representar. Finalmente, são utilizados procedimentos que levam à definição de locais representantes das áreas do local apropriado.

12 Pág. I.2 As partículas em suspensão têm uma outra característica que afeta a conexão entre finalidade de monitoramento e características do local: tamanho da partícula. O tamanho é importante por três razões: (1) Concentração mássica varia com tamanho; (2) Processos de remoção de partículas dependem de tamanho; (3) Efeitos na saúde, particularmente a respirabilidade, são influenciados por tamanho. Assim, escala espacial como base para a classificação de locais de monitoramento não é suficiente, e o sistema tem de ser estendido para incluir consideração dos tamanhos de partículas de maior interesse. A incorporação do tamanho de partículas na lista de fatores a considerar nos locais de monitoramento é consistente com a filosofia de que as metas de monitoramento derivadas de exigências sociais, científicas ou legais devem ser traduzidas num conjunto correspondente de desejáveis metas definidas fisicamente, as quais, por sua vez, podem ser relacionadas com as reais características físicas de um apropriado local de monitoramento.

13 Pág. II.1 II CARACTERÍSTICAS ESPECIAIS DAS PARTÍCULAS Antes de seguir para a derivação dos critérios de localização, vale a pena rever rapidamente algumas das características importantes dos aerossóis naturais e poluidores, suas fontes e método de medição. A. Método de Medição de PTS Basicamente, a medição da concentração de PTS consiste em puxar ar através de um filtro para remover as partículas. O volume de ar amostrado é medido, assim como é medido a quantidade de partículas coletadas. De acordo com os regulamentos publicados no Federal Register (1971), o aparelho aprovado deve ser capaz de puxar ar através de um filtro de fibra de vidro limpo, de 8 por 10 polegadas (203,2 por 254 mm), a uma vazão de pelo menos 1,7 m 3 /min. O fluxo de ar médio através do amostrador de grande volume (AGV) pode ser determinado a partir da média das vazões no início e no fim do período de amostragem e da duração da amostragem. A massa coletada é determinada a partir das pesagens (com aproximação de miligrama) do filtro antes e depois da amostragem. Ambas as pesagens deverão ser realizadas somente após um tempo suficiente para o filtro equilibrar com um ambiente de temperatura e umidades controladas. O Federal Register (1971) estipula que para amostras de 24 horas o método é adequado para medir concentrações médias tão baixas quanto 1 µg/m 3. Comparações de amostragens simultâneas realizadas com o AGV PTS (Clemens at al., 1972; Lee, Caldwell e Morgan, 1972) indicam que em mais de 80 por cento dos casos as amostras em duplicata diferiram de sua média em pelo menos 10 por cento. Correlações maiores que 0,99 foram encontradas por Lee et al. (1972) entre amostras concorrentes. Todos estes resultados indicam uma razoável reprodutibilidade com o método. Os resultados podem diferençar quando empregados filtros de material diferente de fibra de vidro. Lee et al. (1972) observaram uma tendência para mais nas concentrações medidas com filtros membrana, principalmente nas áreas onde os tamanhos das partículas eram menores, indicando eficiências de coleta um pouco maiores para partículas pequenas com filtros membrana do que com fibra de vidro. A metodologia de amostragem de PTS aprovada (apresentada no Federal Register) especifica as vazões e materiais de amostragem aceitáveis para que haja um certo grau de padronização. Da mesma maneira, o abrigo (casinhola) para o amostrador é também especificado. Na Figura 1 há uma representação esquemática do abrigo e um amostrador de PTS adequadamente montado. As dimensões mostradas na figura são aproximadas; deve haver uma folga de 193,5 cm 2 a 580,5 cm 2 entre o teto do abrigo e a base do amostrador (Federal Register, 1971). Com esta folga, supõe-se ser possível coletar partículas de até 100 µm. Entretanto, o Lawrence Berkeley Laboratory (LBL, 1975) informa que a passagem de grandes partículas no amostrador depende tanto da velocidade do vento quanto do tamanho da partícula. À baixa velocidade do vento, partículas de 100 µm seriam excluídas, enquanto que à alta velocidade partículas de até 200 µm seriam coletadas. Qualquer que seja suas deficiências, o amostrador de grande volume para partículas totais em suspensão (AGV PTS), num abrigo padrão, é o instrumento mais usado para amostragem de PTS. Atualmente, é o método padrão aceito (Hoffman et al., 1975), embora existam muitos outros métodos baseados em muitos princípios além da filtração de grande volume por exemplo, impactação inercial, espalhamento da luz, transmissão óptica, centrifugação, habilidade de servir como nucleação de gotas e assim por diante. Este relatório é dirigido somente para a localização do instrumento padrão descrito no Federal Register. Muitos dos mesmos princípios podem ser estendidos a outros métodos, caso o leitor queira assim fazer.

14 Pág. II.2 Fonte: Federal Register, 1971 FIGURA 1- AMOSTRADOR DE GRANDE VOLUME E ABRIGO (CASINHOLA)

15 Pág. II.3 B. Tamanho das Partículas Conforme já citado, a eficácia do método de monitoramento de PTS considerado neste relatório vale para uma faixa de tamanhos de até 100 µm. As medições são baseadas na massa total das partículas. Para o propósito de monitoramento deste gênero, uma partícula de 100 µm de diâmetro é equivalente a um milhão de partículas de 1 µm, ou a um bilhão de partículas de 0,1 µm. Esta ênfase na massa resulta em alguns conflitos que têm que ser resolvidos no desenvolvimento dos critérios de localização. Isso será discutido adiante. O tamanho de uma partícula afeta seu comportamento numa grande variedade de maneiras, do espalhamento da luz à velocidade de sedimentação. A Figura 2 (Lapple, 1961) fornece um resumo conveniente de características relacionadas com tamanho de partículas aerossóis. Entre as características mais importantes está a velocidade terminal para sedimentação gravitacional no ar. A Figura 2 mostra que partículas submicrométricas caem muito lentamente, menos que cerca de 25 cm/h. A velocidade terminal aumenta rapidamente com tamanho, alcançando cerca de 2000 cm/h para uma partícula de 10 µm. Obviamente, partículas submicrômétricas têm a probabilidade de permanecer em suspensão no ar por mais tempo e de serem transportadas para mais distante do que partículas de 10 µm ou mais, um fato de alguma importância no processo de localização. A velocidade de sedimentação de uma partícula é uma reflexão da maneira pela qual a partícula se move no ar quando uma força ou aceleração é aplicada. Partículas pequenas se movem muito pouco relativamente ao ar; por outro lado, partículas grandes se movem muito. Quando o ar em movimento encontra um obstáculo, seu fluxo se altera e acelera em torno do objeto. Partículas pequenas tendem a seguir o ar e contornar o objeto, porém as partículas de maior tamanho muito provavelmente continuarão a seguir seu caminho original, podendo impactar e serem removidas da corrente de ar. A teoria de impactação das partículas está além do escopo deste trabalho (ver, por exemplo, Ranz e Wong, 1952); basta ter em mente que as partículas de maior tamanho estão mais sujeitas à remoção por impactação nas folhas, galhos, prédios ou qualquer outro obstáculo ao fluxo do ar. Repetindo, a importância deste fenômeno na amostragem de aerossóis deve ser devidamente considerada. Visto que as partículas ficam sujeitas à remoção por aceleração ao contornarem um prédio ou vegetação, é provável que elas também fiquem sujeitas à impactação e remoção durante sua movimentação através das muitas passagens no interior do sistema respiratório, e realmente o ficam. A Figura 3 mostra a fração das partículas totais inaladas e retidas em diferentes partes do sistema respiratório em função do tamanho mássico médio das partículas (Task Group on Lung Dynamics, 1966). Os extremos representam diferentes desvios padrão geométricos das partículas aerossóis inaladas. A deposição nos pulmões apresenta um perigo bem maior com partículas de diâmetro submicrométrico do que com partículas de maior tamanho, que tendem a ficar retidas nas narinas e nas passagens respiratórias superiores. O papel das partículas na redução da visibilidade é outra das razões frequentemente consideradas para monitoramento da PTS, e neste trabalho, também, o tamanho da partícula é um fator importante. A redução na visibilidade atmosférica é causada por espalhamento da luz no aerossol. De acordo com Foxvog (1975), partículas absorventes espalham luz mais eficientemente para diâmetros próximos de 0,2 µm, enquanto que para partículas não-absorventes o pico do espalhamento por massa unitária se dá na faixa de 0,4 a 1,0 µm de diâmetro. O espalhamento por massa unitária cai rapidamente em direção a 10 µm de diâmetro. As partículas mais importantes no que diz respeito à redução da visibilidade são aquelas abaixo de 10 µm em tamanho. As consequências na saúde e visibilidade causadas pelas partículas pequenas são mais severas do que aquelas causadas pelas partículas de maior tamanho, o que seria de nenhuma importância se houvesse nenhuma partícula de grande tamanho no ar ambiente; as PTS seriam equivalentes a pequenas partículas em suspensão e as medições de PTS seriam indicadores razoáveis do potencial de degradação da visibilidade e da saúde do aerossol atmosférico. Visto que os processos de remoção, como a sedimentação e impactação, são mais efetivos para grandes partículas do que para pequenas, espera-se que os particulados medidos sejam dominados pelas partículas de menor tamanho.

16 Pág. II.4 CARACTERÍSTICAS DAS PARTÍCULAS E DISPERSÓIDES PARTICULADOS FIGURA 2 CARACTERÍSTICAS DAS PARTÍCULAS E DISPERSÕES DAS PARTÍCULAS

17 Pág. II.5 Fonte: Task Group on Lung Dynamics, 1966 FIGURA 3 FRAÇÃO DAS PARTÍCULAS DEPOSITADAS NOS TRÊS COMPARTIMENTOS DO TRATO RESPIRATÓRIO COMO FUNÇÃO DO DIÂMETRO DA PARTÍCULA Este é o caso numa base numérica. Contudo, o monitoramento de PTS mede massa e, como citado antes, uma única partícula de 10 µm tem a massa de um milhão de partículas de 0,1 µm. Entretanto, a distribuição de massa com tamanho de partícula é de importância. A Figura 4 mostra várias distribuições de tamanho volumétrico observadas em várias localidades dos EUA. Estas distribuições devem ser consideradas como aproximações visto que várias já foram convertidas a partir de distribuições numéricas apresentadas em fontes originais (por exemplo, Junge, Robinson e Ludwig, 1969; Ludwig e Robinson, 1971; Peterson, Paulus e Foley, 1969). Os resultados são bastante interessantes, em que vários exemplos mostram a distribuição volumétrica de partículas aumentando com respeito a tamanho em direção a um modo de grandes partículas com diâmetros de vários micrômetros ou mais. As medições realizadas por Hidy et al. (1975) de Los Angeles se estendem por tamanhos maiores e confirmam ser comum uma distribuição bimodal. A Figura 5 mostra a distribuição idealizada de tamanhos em áreas urbanas hipotetizada por Hidy et al. (1975). De acordo com esta referência, o modo a tamanhos menores representa a contribuição antropogêgica para aerossol urbano, enquanto que material maior, com um modo volumétrico a aproximadamente 10 µm de diâmetro, é de origem natural ou quase-natural. O elementos químicos usualmente encontrados nos particulados de maior tamanho, como poeira soprante, embora referida como natural, é provável que seja oriunda de estradas poeirentas, atividades de construção e assim por diante. Flocchini et at. (1976) encontraram semelhante separação de elementos com respeito a tamanho nas suas amostras na Califórnia. Compostos de silício, componentes de poeira primária, são quase todos encontrados em partículas maiores que 3,6 µm; cerca de 80 por cento de tais materiais estavam entre 3,6 e 20 µm de diâmetro. Por outro lado, cerca de 80 por cento dos compostos de chumbo foram encontrados na faixa de tamanho de 0,11 a 0,65 µm, consistente com os achados de outros (por exemplo, Lee, Peterson e Wagman, 1968; Robinon e Ludwig, 1967) em outras partes do país.

18 FIGURA 4 ALGUMAS DISTRIBUIÇÕES PARTÍCULAS OBSERVADAS TAMANHO VOLUMÉTRICO Pág. II.6

19 Pág. II.7 FIGURA 5 - DISTRIBUIÇÃO MASSA/TAMANHO IDEALIZADA PARA AEROSSOL URBANO Tem-se frequentemente considerado o chumbo como associado com exaustores de automóveis. Resumindo, o tamanho da partícula é de suma importância na amostragem de aerossóis, visto que é relacionado com vários dos propósitos de tal amostragem. Os efeitos na saúde são mais pronunciados para as partículas de menor tamanho, como o são os efeitos na visibilidade. Medidas de controle se aplicam mais a fontes de partículas de menor tamanho. Observações indicam que, numa base volumétrica (ou mássica), as partículas de maior tamanho perfazem uma fração muito importante do particulado total em suspensão. É importante que estes fatos sejam reconhecidos toda vez que se for derivar critérios de localização. C. Fontes das Partículas A Tabela 1 resume a magnitude das várias fontes antropogênicas de particulados nos EUA. Enquanto que poeiras naturais constituem quase metade das emissões de particulados, seus tamanhos geralmente grandes limitam seu tempo de vida na atmosfera, bem como seus efeitos na saúde e na visibilidade. Em geral, as altas concentrações atmosféricas de partículas grandes são limitadas a áreas próximas de suas fontes. Os poluentes gasosos também exibem acentuados gradientes de concentração na vizinhança de fontes, mas não tão acentuados como aqueles associados com partículas de grande tamanho. O processo de dispersão causador de gradientes de concentração na vizinhança de fontes gasosas também opera em particulados, porém são aumentados pela sedimentação e outros processos de remoção que enfatizam os gradientes. Isto indica que a área onde uma fonte de particulados afeta substancialmente as concentrações observadas pode ser menor do que para uma fonte comparável de poluentes gasosos. Um comentário final se faz oportuno concernente à interpretação dos números apresentados na Tabela 1. A tabela não diz nada a respeito de reentrada de partículas grandes após sua remoção. A erosão do solo pode repetidamente envolver as mesmas partículas.

20 Pág. II.8 Tabela 1 ESTIMATIVAS DE EMISSÕES POR TODO O PAÍS EM 1974 Fonte: EPA-450/ , Nov 1976, National Air Quality and Emissions Trends Report, 1975

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