Transporte e dispersão de poluentes atmosféricos

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Transporte e dispersão de poluentes atmosféricos
Profº Fernando Periard Gurgel do Amaral
CONTROLE DA POLUIÇÃO ATMOSFÉRICA
TRANSPORTE E DISPERSÃO DE POLUENTES ATMOSFÉRICOS
CONTROLE DA POLUIÇÃO ATMOSFÉRICA
A atmosfera atua sobre as substâncias poluentes
através de dois fenômenos fundamentais: o transporte e a
difusão. Para determinar o campo de vento (responsável
pelo transporte) existem vários procedimentos codificados
nos modelos matemáticos chamados de modelos
meteorológicos ou de campo de vento. Os modelos
meteorológicos são códigos computacionais que permitem
reconstruir a evolução espaço-temporal da variável que
descreve o fluido atmosférico. Podem ser utilizados
sozinhos, para validar as condições meteorológicas passadas
ou futuras, ou como pré processadores de modelos de
dispersão.
Transporte e dispersão de poluentes atmosféricos
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CONTROLE DA POLUIÇÃO ATMOSFÉRICA
Em função da escala espacial de aplicação, os modelos
meteorológicos podem ser definidos da seguinte forma:
• Modelos de escala global: têm como domínio de cálculo o
planeta inteiro e reconstroem a circulação de grande escala;
• Modelos de mesoescala: operam em uma escala espacial de
100 a qualquer milhar de quilômetros; e
• Modelos de escala regional e local: operam em uma escala
espacial da ordem de dezenas/centenas de quilômetros e
permitem reconstruir a influência local do fluxo atmosférico
(efeitos da orografia e presença de interfaces heterogêneas,
por exemplo).
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Os modelos meteorológicos são,
normalmente, aplicados como pré processadores de
modelos de qualidade do ar e podem,
eventualmente, utilizar suas saídas em modelos de
escala maior para a definição da circulação de
grande escala.
Os modelos meteorológicos podem ser
separados em duas grandes famílias:
MODELOS 
DIAGNÓSTICOS
MODELOS
PROGNÓSTICOS
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Os modelos diagnósticos:
Os modelos diagnósticos consistem,
fundamentalmente, em algoritmos para interpolar as
medidas efetuadas no domínio de cálculo. Os
modelos mais difundidos que pertencem a este grupo
são os considerados modelos massa-consistente,
baseados na equação de conservação da massa.
Requerem, como entrada, informações
relativas à orografia e aos principais parâmetros
geofísicos, como também medidas de vento no solo e
ao longo de um ou mais perfis verticais para a
frequência temporal requerida.
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Os modelos prognósticos:
Os modelos prognósticos permitem descrever a
evolução do fenômeno atmosférico, sobre todo o domínio
tri-dimensional considerado, através da integração do
sistema de equações diferenciais constituído da equação
de conservação da massa, da quantidade de movimento,
da energia cinética turbulenta, da umidade e do calor.
A integração do sistema consiste em reconstruir,
não somente o campo de vento, mas também o de
temperatura e o comportamento de alguma variável da
qual seja possível retirar informações sobre a
turbulência.
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Estes modelos prognósticos, que podem ser utilizados
também na fase de previsões, são mais sofisticados do que os
diagnósticos, e para serem aplicados corretamente necessitam
maiores recursos de cálculo, diversos tipos de dados de
entrada (por exemplo, uma reconstrução mais refinada da
caraterística da superfície) e um bom conhecimento dos
fenômenos meteorológicos.
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A dispersão de poluentes na atmosfera, ou seja, o
movimento de poluentes na atmosfera é determinado,
principalmente, pelas condições meteorológicas,
Uma das principais condições meteorológicas para a
dispersão dos poluentes é a turbulência da atmosfera.
Segundo Assunção (2009), ela exerce um papel
importante no transporte, na difusão e na diluição da
poluição do ar. Essa turbulência é determinada pela
velocidade do vento e pelo gradiente térmico.
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A dispersão dos poluentes, após serem emitidos por
determinada fonte de poluição, ocorre por uma interação
complexa entre as características físico-químicas dos poluentes,
as condições meteorológicas da região e sua topografia.
A Modelagem de dispersão atmosférica consiste numa
simulação de como os poluentes atmosféricos se propagam e
dispersam. Hoje, se recorre a sistemas computadorizados que
através da resolução de equações matemáticas, numéricas e
algoritmos simulam o comportamento dos mesmos, de acordo
com os conhecimentos atuais.
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Os modelos de dispersão permitem estimar ou
prever o comportamento de poluentes atmosféricos
emitidos por uma determinada fonte, como uma unidade
industrial, ou a poluição gerada pelo tráfego de
automóvel. Os sistemas que fazem modelagem, permitem
não só prever a direção, sentido ou velocidade, como as
reações químicas que podem surgir.
Tornam-se úteis não só na identificação dos
emissores de focos de poluição, como na gestão de
efluentes gasosos e de qualidade do ar, sendo por essas
razões uma ferramenta importante nas agências
governamentais de proteção e gestão da qualidade do ar.
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No caso de uma chaminé, a pluma de
poluentes ao ser emitida, possui, muitas vezes, uma
tendência ascensional (que obriga a subir), em função
de parâmetros do próprio efluente, das dimensões da
chaminé e da influência dos parâmetros
meteorológicos no momento da emissão.
Logo em seguida, a pluma adquirirá um
movimento transversal, acompanhado de difusão em
torno de sua linha central, que caracteriza o
componente de difusão e transporte.
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Plumas
O comportamento final de uma pluma ao sair de uma
chaminé pode ser subdividido em dois componentes
principais:
 Ascensão da pluma.
 Difusão e transporte da pluma.
Ao emitir a pluma a tendência é ascensional ditadas
por parâmetros do próprio efluente, por dimensões da
chaminé e pela influência dos parâmetros meteorológicos no
instante da emissão.
Logo a seguir, adota um movimento transversal,
acompanhado de difusão em torno de sua linha de centro,
que caracteriza a componente de difusão e transporte.
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Pluma ideal:
Partículas de maior peso 
começam a cair sobre o 
solo;
Partículas mais finas 
continuam a subir até 
perder sua energia cinética 
e cair sobre o solo; e
Restam as partículas que se 
comportam como gás e se 
adaptam ao processo de 
dispersão deste. Tendência ascensional da pluma
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Modelo de Pluma Gaussiana
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Dispersão esquemática da pluma
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O comportamento de uma pluma na atmosfera é um
processo complexo, que varia de acordo com as condições
de emissão, ventos, turbulência e muitos outros fatores
relacionadoscom o terreno e aerodinâmica.
Para realização de estudos de impacto ambiental
para novas fontes a serem instaladas, bem como para
conhecer a real contribuição de fontes antigas na
degradação da qualidade do ar em sua área de influência,
normalmente de utiliza o recurso da modelagem
matemática, que simula as concentrações de poluentes
num ponto qualquer sobre o terreno.
Os modelos matemáticos, por serem simplificações
dos processos reais ocorridos na atmosfera, sempre
possuem limites.
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Os poluentes lançados continuamente por uma
fonte irão se dispersar, resultando na formação de uma
pluma.
Estudar o comportamento da pluma significa
estudar como o meio transporta e dispersa os
poluentes.
A forma da pluma de poluentes emitidos pode
ser classificada de acordo com o perfil de
temperatura da atmosfera.
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Após serem emitidos por uma fonte os poluentes
passam a se comportar, em termos de seu transporte e sua
dispersão, de acordo com os parâmetros meteorológicos
locais. O estudo do processo ideal de dispersão tem muita
importância para estudar os valores médios diários de
contaminação.
Fatores meteorológicos que influem no sentido de
provocar fortes valores de contaminação:
∙ movimentos verticais
∙ movimentos horizontais
∙ turbulência atmosférica
Responsáveis, a partir do momento 
da emissão, pelo transporte do 
poluente e sua dispersão.
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As ilustrações mostram as possibilidades de
desenvolvimento de pluma em função do gradiente
térmico da atmosfera, desprezando os seguintes
efeitos: diferença de densidade entre os poluentes e
o ar, velocidade de saída dos poluentes e
sedimentação dos poluentes.
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Condição serpenteante / looping - Bélgica
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Condição tubular / fanning – Pluma da Termoelétrica de Charqueada - RS
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TIPOS DE PLUMAS
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Existem algumas condições favoráveis a dispersão dos 
poluentes na atmosfera:
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São três os fatores que influem sobre o
comportamento de uma pluma:
 Os dependentes da chaminé (características das
fontes emissoras);
 Os dependentes das condições meteorológicas e do
meio; e
 Os dependentes exclusivamente do efluente
(naturezas químicas e físicas).
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Características da fonte emissora /
os dependentes da chaminé
• Altura física da fonte emissora;
• Altura da elevação da pluma: corresponde a altura
até a qual se verifica a elevação da pluma a partir
da fonte emissora (ou sobre-elevação);
• Altura efetiva da fonte emissora: é dada pela soma
das duas características anteriores;
• Diâmetro da fonte emissora;
• Forma da chaminé; e
• Número de chaminés.
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Condições meteorológicas e do meio
• Temperatura atmosférica: quanto maior, maior será a taxa de
evaporação do poluente da sua fonte emissora para o ar
circundante;
• Velocidade do vento: determina quais as áreas geográficas
que serão afetadas pela pluma emitida. A extensão da área
geográfica coberta pela pluma se encontra diretamente
relacionada e este fator;
• Direção do vento: determina quais as áreas geográficas que
serão afetadas pela pluma emitida.
• Estabilidade da atmosfera (gradiente vertical de
temperatura): interfere com o grau de diluição;
• Tipo de terreno e edificações próximos ao foco de emissão
suscetíveis a criar turbulências mecânicas;
• Rugosidade do terreno; e
• Focos locais de calor.
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Características dos poluentes /
os dependentes exclusivamente do efluente
• Taxa de emissão: deve ser conhecida a quantidade
de poluente que está sendo emitida num dado
período de tempo;
• Temperatura que o poluente está sendo emitido
(temperatura dos gases);
• Velocidade que o poluente está sendo emitido
(velocidade de emissão de gases); e
• Composição do efluente.
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Altura efetiva da chaminé
A caracterização da altura de subida da pluma,
em termos das propriedades dos gases emitidos e do
estado atmosférico presente, é um problema complexo.
A mais detalhada abordagem envolve a solução de
equações de massa, momento e conservação de energia
acopladas. Entretanto, devido a sua complexidade, essa
abordagem não é usual.
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”.
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A tendência ascensional da pluma ao sair da
chaminé, cria aquilo que chamamos de altura de
pluma efetiva.
A altura efetiva 
da chaminé é 
definida como a 
altura na qual a 
pluma se torna 
passiva e passa a 
seguir o 
movimento do ar 
atmosférico.
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A altura efetiva de uma emissão raramente
corresponde a altura física da chaminé. Se a pluma é
lançada livre de zonas de turbulência, um número de
fatores de emissão e fatores meteorológicos influenciam
na altura da elevação da pluma.
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Modelos de dispersão horizontal:
A dispersão da pluma ocorre em direção vertical e
horizontal. A taxa a qual a dispersão horizontal ocorre,
depende de:
 velocidade do vento;
 insolação;
 outros fatores que causam distúrbios e turbulência no
ar (morros, edifícios, etc);
 altura efetiva da chaminé;
 intensidade da fonte; e
 gradiente térmico, entre outros.
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A dispersão do ar poluído pode ser numericamente
simulado por várias técnicas, as quais são divididas em
duas categorias:
 Modelos Eulerianos.
 Modelos Lagrangianos.
A diferença básica entre as duas resoluções é
ilustrada na figura a seguir, na qual o sistema de
referência Eulerianoé fixo (com respeito a terra),
enquanto que o sistema de referência lagrangiano segue o
movimento atmosférico médio.
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MODELOS EULERIANOS MODELOS LAGRANGIANOS
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CONTROLE DA POLUIÇÃO ATMOSFÉRICAVariação do cálculo da concentração com o tempo de
amostragem:
Os coeficientes de dispersão empregados nos
modelos matemáticos foram obtidos experimentalmente,
dependem do tempo de amostragem e dos períodos de
emissão contínua utilizados nos experimentos.
As concentrações calculadas com esses parâmetros
devem ser corrigidas para os intervalos de tempo de
interesse do estudo. A fim de confrontar os valores
calculados com os padrões de qualidade do ar, os valores
devem ser corrigidos para 24 horas.
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A figura abaixo mostra que a concentração média
num ponto tende a diminuir com o aumento do tempo de
observação.