TIPIFICAÇÃO DA TURBULÊNCIA ATMOSFÉRICA NO RIO DE JANEIRO POR MEIO DE OBSERVAÇÕES SINÓPTICAS Domingos Nicolli Tecnologista Senior III - Inativo: E-mail: dnicolli@hotmail.com Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN) Abstract: Turbulence Typing in Rio de Janeiro by Means of Ordinary Weather Observations. Pasquill s simple scheme of turbulence typing has been widely applied to determining the stability classes from synoptic weather observations. In this work the Pasquill classification system, with some modification, was employed in the characterization of the stability frequency distribution for Rio de Janeiro. The obtained distribution of stability categories compares favorably with those found for Augusta, Ga. (USA) and for Hamburg (Germany) by using a similar scheme. The following results were obtained: Class A = 4.3%; B = 8.4%; C = 10.5%; D = 46.4%; E = 7.1%; F = 11.9%; G = 11.4%. 1. Introdução Os poluentes são liberados por vários tipos de fonte sobre a superfície da terra. As concentrações resultantes no ar precisam ser estimadas, dada sua importância para o planejamento social e industrial na área de influência dos novos projetos. A legislação para controle ambiental da maioria dos países exige a apresentação de cálculos dos valores médios das concentrações de poluentes para períodos de uma hora, três, oito e 24 horas, para períodos sazonais e anual. Os modelos matemáticos para calcular a dispersão requerem dados sobre o tipo de turbulência atmosférica, velocidade e direção dos ventos. Pesquisar esquemas adequados para tipificar a turbulência atmosférica tornou-se um desafio tecnológico de relevância. Os efeitos da poluição sobre a saúde, a natureza e os monumentos implicam apreciáveis danos econômicos. O potencial dispersivo e de transformação química dos poluentes lançados numa bacia atmosférica pode ser estimado e prognosticado por meio de modelos matemáticos que se baseiam nas informações meteorológicas da camada limite. A indústria necessita de estimativas precisas dos riscos associados à liberação acidental de gases perigosos na atmosfera. É essencial conhecer até que ponto os efeitos da dispersão atmosférica poderiam atenuar os riscos potenciais. Medir diretamente a turbulência atmosférica é difícil e caro. Em vista disso, é mais prático descrever a turbulência em termos de valores médios das medidas meteorológicas de rotina e de seus gradientes verticais, principalmente da temperatura média, vento horizontal, gradiente vertical de vento e temperatura. A teoria da relação dessas variáveis com a turbulência na parte inferior da camada limite foi bem estudada e teve bastante sucesso. Contudo, a relação dessas variáveis com a difusão atmosférica está menos compreendida., Então, surgiu a necessidade de se desenvolver empiricamente, de forma mais ou menos qualitativa, esquemas de tipificação da turbulência para tratar dos problemas práticos de difusão atmosférica. No Brasil, somente a indústria nuclear tem por norma fazer medições rotineiras e contínuas do gradiente vertical de temperatura da camada limite próxima à superfície, visando determinar as condições de dispersão. Nos estudos de impacto ambiental de novas instalações poluidoras no território nacional, quase sempre os cálculos da dispersão atmosférica são feitos com simulações baseadas em dados hipotéticos ou importados. Neste artigo, propõe-se recorrer ao método de Pasquill, modificado por diversos pesquisadores, que sugeriu a utilização das observações sinópticas na determinação do grau de dispersão dos poluentes lançados na camada limite próxima ao solo. No Brasil, as observações sinópticas horárias aparecem como alternativa inevitável.
2. histórico O esquema de tipificação da turbulência de Pasquill (1961) é o sistema mais empregado na atualidade. Um outro esquema de tipificação da turbulência muito usado, nos EEUU, foi desenvolvido no Laboratório Nacional de Brookhaven (BNL) e é muito parecido com o de Pasquill. A legislação ambiental dos últimos 30 anos destacou a importância dos esquemas de tipificação da turbulência. Muitos e caros experimentos e estudos de difusão atmosférica foram realizados em vários países industrializados, tentando aperfeiçoar e melhorar os esquemas de tipificação da turbulência. Os resultados desses estudos nem sempre convergiram entre si ou com a proposta inicial de Pasquill. A primeira tentativa de categorizar a turbulência foi feita na Inglaterra por M. A. Giblett, em 1932, que estava preocupado com a magnitude dos turbilhões que prejudicavam a ancoragem e manobras dos grandes aeróstatos e dirigíveis (Zepelins). Giblett definiu suas categorias de turbulência atmosférica baseado nas características do vento registrado continuamente por um aparelho altamente sensível, juntamente com o gradiente vertical da temperatura. Nesse sistema havia quatro tipos de turbulência, sendo o tipo I muito instável e o tipo IV estável (praticamente nenhuma turbulência). O esquema de tipificação da turbulência do BNL foi apresentado por M. E. Smith em 1951 e era similar ao das quatro categorias de Giblett. Esse esquema empregava a amplitude da variação da direção horizontal do vento traçada no gráfico do anemógrafo, ao nível de 108 m de altura, na torre do BNL. Com o tempo verificou-se a necessidade de aumentar os tipos de turbulência para cinco classes. Foi feita uma longa série de experimentos de liberação de fumaça do nível de 108 de altura e os desvios padrão horizontais da concentração σ y observados foram correlacionados com os 5 tipos de turbulência. Os desvios padrão verticais σ z foram calculados assumindo-se uma distribuição de concentração de material de forma gaussiana. Pasquill, na Inglaterra, no início da década de 50, desenvolveu um esquema de tipificação da turbulência, mas não publicou seu trabalho. Em 1959, P. J. Meade divulgou o esquema de tipificação da turbulência de Pasquill, que, em seu trabalho, sugeriu um meio para determinar o grau de dispersão vertical e horizontal de uma nuvem poluidora, baseado nas medições reais das flutuações do azimute e ângulo de elevação do vento, σ A e σ E. Segundo Pasquill, a distribuição da concentração de material na pluma teria uma forma gaussiana e os desvios padrão da distribuição de material (σ y, σ z ) estariam relacionados com a flutuação do vento pelas relações seguintes:σy = xσa ; σ σ Tt, z = x E,onde x é a distância Tt, da fonte emissora ao ponto onde a medida de concentração é feita. Aqui t é o intervalo de tempo usado para determinar a média dos dados de azimute e ângulo de elevação do vento medidos durante o período T usado para cálculo dos desvios padrão σ A, σ E. A variável t é calculada pela relação e T é a x 4U duração da liberação da pluma ou tempo de amostragem e U a velocidade média do vento no período T. Geralmente o tempo t é da ordem de poucos segundos e T de alguns minutos. As medidas de σ A e σ E somente são feitas em estações meteorológicas especiais, para esse fim preparadas. Para contornar o problema da inexistência de dados, Pasquill recomendou determinar os valores de σ A e σ E a partir dos valores h e θ da pluma gaussiana. Onde h é a altura na pluma em que a concentração é de 1/10 do valor da concentração no seu eixo sobre o solo (emissão feita no chão) e θ é o espalhamento angular lateral entre os pontos onde a concentração é de 1/10 do valor da concentração no eixo da pluma. Os espalhamentos lateral e vertical da pluma dependem do tipo de turbulência ou classe de estabilidade. A relação entre essas grandezas foram dadas pelas fórmulas seguintes: h σ E = 215x., σ = θπ A 774. Esses valores envoltórios foram deduzidos de experimentos feitos por Pasquill com liberações ao nível do solo, em que as medidas das concentrações se estenderam até cerca de
1 km da fonte e a duração da liberação ou da amostragem foi de poucos minutos. Pasquill apresentou uma tabela na qual relacionava os valores do espalhamento lateral θ das plumas com as seis classes de estabilidade de A até F. Para o espalhamento vertical h preparou um gráfico. A classe de estabilidade aplicável seria obtida das observações sinópticas de acordo com a Tabela 1. O grau de estabilidade associado às classes de Pasquill são os seguintes: A= extremamente instável; B= instável; C= levemente instável; D= neutra; E= levemente estável; F= estável. Gifford (1961), com base no trabalho de Pasquill, converteu os dados de espalhamento θ e h da pluma em famílias de curvas dos desvios padrão σ y, σ z da distribuição de concentração de material. Isto foi feito para ser aplicado na fórmula gaussiana da pluma. Esses gráficos para interpolação de σ y, σ z passaram a ser mencionados como as curvas de Pasquill-Gifford. W. Klug (1969), na Alemanha, desenvolveu um esquema de tipificação da turbulência muito parecido com aquele de Pasquill. Difere principalmente porque a Tabela 1 foi substituída por um conjunto de regras que relaciona nebulosidade, velocidade do vento, hora do dia e estação do ano. Analisando dados da estação de Augusta, no estado da Geórgia (EEUU), Luna e Church (1972) mostraram que a variação total da intensidade mediana da turbulência é de uma ordem de grandeza e ocorre linearmente, enquanto a categoria de estabilidade passa de A para F. Contudo, as tentativas para correlacionar os tipos de turbulência com vários critérios objetivos de estabilidade (por exemplo gradiente vertical de temperatura e número de Richardson) resultaram em considerável dispersão dos valores. Manier (1975) comparou os gradientes de temperatura com as categorias de difusão determinadas de acordo com os esquemas de Klug e Turner, que empregam as observações do tempo. Verificou que as variações do gradiente de temperatura pela manhã e no final do dia não acompanhavam coerentemente as mudanças de categorias de difusão. Concluiu que as classificações das categorias de estabilidade por meio das observações sinópticas somente devem ser empregadas como último recurso, onde não há outro tipo de dado mais adequado. Em 1973, Pasquill concluiu que o método da tipificação da turbulência é válido para cálculo da concentração média da poluição de períodos longos, no qual a faixa de erro seria de cerca de 20%. Para períodos curtos, o nível de incerteza pode atingir um fator dois. Utilizando a proposta de Pasquill, Turner (1964) introduziu uma versão do esquema de tipificação da turbulência de Pasquill no qual a radiação solar é classificada em termos de elevação do Sol e altura e quantidade das nuvens. Esse procedimento é mais objetivo e envolve variáveis meteorológicas normalmente observadas em algumas estações. Para os períodos de céu claro, Turner dividiu a intensidade de insolação em quatro classes, ver a Tabela 2. Quando existe nebulosidade, é feita uma correção da insolação de acordo com a quantidade e altura. A elevação do Sol deve ser calculada em função da hora e da data. Turner expressou as curvas para os desvios padrão (σ y, σ z ) da concentração em função x do tempo de travessia da pluma, t =, em vez de apresentar em função da distância x percorrida. Numerou as curvas de 1 a 7. Afirmou que, de 1 a 5, suas curvas correspondem àquelas de Pasquillu Gifford. A curva 7 foi atribuída às condições de estabilidade extremamente estáveis. 3. O método aplicado no Rio de Janeiro Neste trabalho foi usado o critério de redução da insolação empregado por Manier (1975) em Hamburgo, Alemanha, ver a Tabela 3. Em qualquer hipótese, a insolação mínima durante o dia será zero. Para o período noturno foram estabelecidas por Turner duas classes de esfriamento: moderado e leve. A Tabela 4 apresenta as classes de esfriamento usadas aqui. Uma vez determinada a classe de insolação e de esfriamento noturno, as categorias de difusão podem ser obtidas pelo esquema mostrado na Tabela 5,
em que está incluída a classe 7 de Turner (ou classe G). A elevação do Sol foi calculada uma vez por dia para o trigésimo minuto de cada hora. 4. Os dados e resultados Foram usados 20 anos de observações meteorológicas horárias do Aeroporto do Galeão, Rio de Janeiro, feitas entre 1/1/51 e 31/12/70. A Figura 1 mostra um mapa horário da distribuição de freqüência de ocorrência das classes de estabilidade de Pasquill. Na Figura 1 destacam-se dois eixos. Um eixo horizontal onde predominam as classes de estabilidade neutra (D). O segundo eixo fica na vertical, centrado no horário das 14 horas, em torno do qual predominam as classes de estabilidade instáveis (A, B, C). Entre 21h e 9h predominam as classes de estabilidade F e G. O padrão de distribuição das classes de estabilidade no Rio de Janeiro aparecem coerentes com o ciclo diário de aquecimento e esfriamento da superfície da terra. CLASSES DE PASQUILL-TURNER 7-6- 5-4- 3-2- 1- CLASSES DE ESTABILIDADE DE PASQUILL NO GALEÃO - RIO DE JANEIRO 2 h 4 h 6 h 8 h 10 h 12 h 14 h 16 h 18 h 20 h 22 h 24 h HORÁRIOS GMT A distribuição horária de classes de estabilidade de Pasquill-Turner foi baseada em 173254 horas de observações sinópticas realizadas no Aeroporto do Galeão entre 1/1/1951 e 31/12/1970. Os dados meteorológicos considerados foram as velocidades dos ventos, a quantidade de nuvens cobrindo o céu e a altura da primeira camada de nuvens, assim como a altura do Sol, calculada em função da data, da hora e das coordenadas geográficas do local. Naqueles 20 anos de observações meteorológicas foi a seguinte a distribuição média das freqüências de classes de estabilidade atmosférica: A = 4.3%; B = 8.4%; C = 10.5%; D = 46.4%; E = 7.1%; F = 11.9%; G = 11.4%. Figura 1: distribuição das classes de estabilidade no Rio de Janeiro, em função da elevação do sol, da velocidade do vento e da nebulosidade Na Figura 2, são feitas comparações das distribuições de freqüências das classes de Pasquill-Turner obtidas no Rio de Janeiro, por meio das observações sinópticas, com aquelas de uma localidade nos EEUU (Augusta, Ga) e de uma estação na Alemanha (cidade de Hamburgo). Luna e Church (1972) consideraram as seis classes de Pasquill. Fizeram modificações nos critérios originais de tipificação da turbulência dados por Pasquill na Tabela 1. O trabalho de Manier (1975) foi baseado no esquema apresentado aqui. Os dados do Galeão foram analisados segundo esses procedimentos. As distribuições de freqüências das classes de estabilidade obtidas para o Rio de Janeiro, de modo geral se assemelham àquelas para Augusta e Hamburgo, apesar das diferenças climáticas. A classe D é a mais freqüente nos três locais analisados, ocorrendo em mais de 50 % do tempo nos países temperados e 46,4 % no Galeão. As classes estáveis (E, F, G) juntas tiveram 30,4 % no Galeão, 30,1 % em Augusta e 20,6 % em Hamburgo. As classes instáveis (A, B, C) no Galeão tiveram 23,2 %, 19,2 % em Augusta e 11,9 % em Hamburgo. As freqüências das classes de estabilidade calculadas para o Rio de Janeiro são significativas, vista a extensão da série de 20 anos de dados. Os resultados da distribuição dos tipos de turbulência no Galeão se assemelham mais àqueles de Augusta, na Geórgia (EEUU) do que aos valores para Hamburgo. Essas disparidades tanto podem ser devidas às diferenças climáticas quanto às variações de métodos. Todavia, visto que os dados do Galeão foram analisados pelo G F E D C B A 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 5 % 0 %
método aplicado aos dados de Hamburgo, é bem mais provável que as diferenças encontradas sejam devidas às condições climáticas. A freqüência das classes instáveis no Galeão foi maior que nas outras localidades. Devido à maior insolação tropical, parece lógico que isso ocorresse. FREQÜÊNCIA DAS CLASSES DE TURBULÊNCIA (%) 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 DISTRIBUIÇÃO DOS TIPOS DE TURBULÊNCIA Augusta, Ga, EEUU: 2461 valores Hamburgo, Alemanha: 15565 valores Galeão, Rio: 173254 Figura 2: comparação da distribuição dos tipos de turbulência determinados pelos dados de observação sinóptica. Em Augusta Luna e Church (1972) usaram dados de aeroporto coletados a intervalos de três horas. Os dados de Hamburgo foram observados a cada hora, durante dois anos, segundo Manier (1975). Os dados do Galeão são horários e compreendem o período de 1/1/51 a 31/12/70. 15 10 5 0 -A -B -C -D -E -F -G CLASSES DE ESTABILIDADE Comparação das freqüências de distribuição das classes de estabilidade de Pasquill-Turner no Galeão com as freqüências em Augusta (Ga, EEUU) e em Hamburgo, na Alemanha. Foram usadas as observações sinópticas da velocidade dos ventos, quantidade e altura das nuvens e elevação do Sol. Em Augusta foram consideradas 6 classes de Pasquill. Os métodos usado em cada um dos trabalhos diferem ligeiramente entre si e daquele sugerido por Pasquill. Na falta de outras medidas de parâmetros meteorológicos mais adequados para tipificar a turbulência atmosférica de uma área, o método aqui usado pode ser aplicado na análise das condições médias de dispersão dos poluentes do ar. Velocidade do vento a 10 m de altura (Durante o dia) Radiação solar incidente (Durante a noite) Esfriamento (m/s) Forte Moderada Fraca Nebulosidade 4/8 Nebulosidade < 4/8 <2 A A - B B - - 2-3 A - B B C E F 3-5 B B - C C D E 5-6 C C - D D D D >6 C D D D D Tabela 1: chave para as classes de estabilidade de Pasquill Elevação do Sol (A - graus) Insolação Índice de radiação (IR) A > 60 o Forte 4 35 < A 60 o Moderada 3 15 < A 35 o Suave 2 0 <A 15 o Fraca 1 Tabela 2: Turner definiu um índice objetivo de balanço de radiação (IR), correspondente aos termos radiação solar incidente forte, moderada e fraca de Pasquill, em função da altura do Sol, válido quando a cobertura N de nuvens é inferior a 5/8.
Nebulosidade diurna Índice de radiação reduzido (IR) Cobertura N = 8/8, h 7000 pés 0 Cobertura N 5/8, h < 7000 pés IR = IR - 2 Cobertura N 5/8, 7000 h <16000 pés IR = IR - 1 Cobertura N = 8/8, h > 7000 pés IR = IR - 1 Tabela 3: quando há cobertura diurna do céu por nuvens em quantidade N 5/8, os índices de balanço de radiação IR ficam reduzidos conforme indicados na coluna dois desta Tabela. Nebulosidade noturna Índice de radiação de esfriamento (IR) Cobertura N = 8/8 0 Cobertura N 5/8, h 7000 pés 0 Cobertura N 2/8-2 Cobertura N > 2/8-1 Tabela 4: quando há cobertura noturna do céu por nuvens, o índice de balanço de radiação IR assume valores conforme indicados na coluna dois desta Tabela. Vento ÍNDICES DAS CLASSES DE INSOLAÇÃO Velocidade (nós) 4 3 2 1 0-1 - 2 0-1 1 1 2 3 4 6 7 2-3 1 2 2 3 4 6 7 4-5 1 2 3 4 4 5 6 6 2 2 3 4 4 5 6 7 2 2 3 4 4 4 5 8-9 2 3 3 4 4 4 5 10 3 3 4 4 4 4 5 11 3 3 4 4 4 4 4 >12 3 4 4 4 4 4 4 Tabela 5: esquema para determinação das classes estabilidade em função do balanço de radicação e da velocidade do vento com inclusão da classe G de Turner. REFERÊNCIAS Dilger, H.; Nester, K. (1975) Gifford, E. F. A. (1961) Gifford, E. F. A. (1976) List, R. J. (1951) Luna, R. E.; Church, H. W. (1972) Manier, G. (1975) Aufstellung und Vergleich verschiedener Schemata zur Bestimmung von Ausbreitungskategorien, Meteorol. Rdsch. 28, 12-17 Use of Routine Meteorological Observations for Estimating Atmospheric Dispersion, Nuclear Safety, Vol. 2, 47-51. Turbulent Diffusion-Typing schemes: A Review, Nuclear Safety, Vol 17, No. 1, 68-86. Smithsonian Meteorological Tables, 6th ed. Washington D. C., Smithsonian Institution, 497-505. A Comparison of Turbulence Intensity and Stability Ratio Measurements to Pasquill Stability Classes, J. of Applied. Met., 11 Vergleich zwischen Ausbreitungsklassen und Temperaturgradienten, Meteorol. Rdsch. 28, 6-11 Pasquill, F. (1961) The estimation of the dispersion of windborne material, Meteor. Mag., 90, 33-49. Turner, D. B. (1964) A Diffusion Model for an Urban Area, Journal of Applied Meteorology 3, 83-91. Turner, D. B. (1969) Workbook of Atmospheric Diffusion Estimates, Pub. No. 999-AP-26, Public Health Service.