METEOROLOGIA DA POLUIÇÃO DO AR

Prévia do material em texto

11/18/2011 1 
Meteorologia da Poluição do Ar 
• Geral 
• Vento 
• Turbulência 
• Estabilidade Ambiente e Inversão 
• Elevação da Pluma e Transporte 
• Características das Plumas 
• Transporte de Longa Distância 
• Transporte Planetário 
11/18/2011 2 
A Atmosfera como Sumidouro 
• Vulcões e poluentes de outras fontes naturais. 
• Poluentes de atividades humanas. 
– Descoberta da aplicação do fogo. 
• Sumidouro imperfeito: capacidade limitada para 
carrear (transporte), diluir (dispersão) e 
remover (deposição) poluentes: 
– Impactos locais e regionais. 
– Barreiras topográficas. 
– Escalas do movimento do ar. 
– Estabilidade atmosférica e inversão térmica. 
– Reações químicas atmosféricas. 
11/18/2011 3 
Transporte e Dispersão 
• Transporte – movimentos do ar carreando 
poluentes de uma região da atmosfera a outra. 
• Dispersão – mistura de poluentes com o ar. 
• Camada Limite Planetária (CLP): Poluentes 
são inicialmente liberados na CLP. 
– CLP bem misturada no contexto de alguns meses. 
– Em curtas escalas de tempo a mistura de poluentes é 
limitada pelas condições atmosféricas. 
• Ar na Troposfera Livreacima da CLP é 
relativamente estável. 
11/18/2011 4 
CLP 
Camada Limite: parte da atmosfera que é diretamente 
influenciada pela superfície da Terra, e responde as forçantes de 
superfície numa escala de tempo de uma hora ou menos. 
 
Estas forçantes incluem: atrito, evaporação, transferência de calor, 
emissão de poluentes e modificações no escoamento induzidas 
pelo 
terreno. 
 
Sobre os continentes a CLP apresenta um ciclo diurno 
onde podem ser identificas três componentes principais: 
 
- Camada de mistura ou Camada limite convectiva (CM) 
- Camada de mistura Residual (CMR) 
- Camada estável 
11/18/2011 5 
CLP 
11/18/2011 6 
CLP 
11/18/2011 7 
CLP 
11/18/2011 8 
CLP 
11/18/2011 9 
CLP 
11/18/2011 10 
CLP 
11/18/2011 11 
CLP 
11/18/2011 12 
CLP 
11/18/2011 13 
Escalas do Movimento do Ar 
11/18/2011 14 
Vento 
• Afetado por: 
– Gradientes de pressão horizontal 
– Gradientes de temperatura horizontal 
– Fricção relacionada a rugosidade da superfície 
Quais são os 2 componentes que descrevem o vento? 
Ventos e obstáculos. 
 
(a) Ar estável e ventos fracos produzem pequenos 
turbilhões (eddies) e pouca mistura vertical. 
 
(b) Ar instável e ventos fortes produzem grande 
mistura na vertical turbilhões maiores. 
 
11/18/2011 23 
11/18/2011 24 
Direção do vento em Meteorologia. 
Circulação térmica produzida por aquecimento e resfriamento próximo da superfície. 
11/18/2011 27 
Vento 
• Efeito da emissão do vento na emissão: 
diluição da pluma 
– Dobrando a velocidade do vento, os níveis de 
poluição decrescem cerca de 50%. 
A velocidade do vento é medida ao nível da superfície? 
A diluição é melhor em áreas urbanas ou rurais? 
• Direção do Vento 
– Ventos predominantes 
– Escoamentos anti-ciclônicos 
– Efeitos da topografia 
• Num vale 
• Ao longo das costas dos mares e 
lagos 
www.infomonitors.com
/weather_station.htp 
Estação 
Meteorológica 
11/18/2011 28 
Ventos de Vale e Montanha 
Qual a direção do vento durante a noite? E durante o dia? 
11/18/2011 30 
Formação de redemoinho (dust devil). 
11/18/2011 32 
Circulações de Brisa Marítima e Terrestre 
http://ess.geology.ufl.edu/ess/Notes/AtmosphericCirculation/daynight_lg.jpeg 
11/18/2011 33 
Circulações de Brisa Marítima e Terrestre 
11/18/2011 34 
Rosa-dos-Ventos 
Direção e velocidade são tipicamente variáveis 
11/18/2011 35 
Turbulência 
• Turbilhonamento circular dos movimentos do ar em 
curtos intervalos de tempo. 
• Turbulência Mecânica: 
– Causada pelo movimento do ar sobre e no entorno de 
estruturas/vegetação. 
– Aumenta com a velocidade do vento. 
– Afetada pela rugosidade da superfície. 
• Turbulência Térmica: 
– Causada por aquecimento/resfriamento da superfície da 
terra. 
– Fluxos são tipicamente verticais 
– Células de convecção de maiores que 1000 - 1500 m 
Qual é o efeito da turbulência na poluição? 
A turbulência é desejável? 
11/18/2011 36 
Estabilidade Atmosférica 
• Conceito que descreve (não-)movimento do ar 
próximo à superfície 
• Caracterizado pelo gradiente da temperatura 
vertical (Lapse Rates) 
– Lapse rate adiabático seco () = 0,976 oC/100 m ~ 1 
oC/100 m 
– Lapse rate internacional (padrão) = 0,0066 oC/m 
 
O ar úmido e o ar seco têm a mesma variação de temperatura para uma mesma 
variação de elevação? Por que? 
 
 
A lapse rate tem alguma relação com a qualidade do ar? 
11/18/2011 37 
Condições de Estabilidade 
Lapse rate adiabático 
Lapse rate do ambiente 
38 
Condições de Estabilidade 
Exemplos típicos de gradientes térmicos verticais de temperatura 
Superadiabático 
A condição 
superadiabática 
favorece a convecção 
forte, instabilidade e 
turbulência. Esta 
condição geralmente 
fica restrita aos 
primeiros 200 m da 
atmosfera 
39 
Condições de Estabilidade 
Exemplos típicos de gradientes térmicos verticais de temperatura 
Neutro 
Condição na qual o 
gradiente térmico da 
atmosfera está 
próximo ao gradiente 
adiabático seco, 
implica na 
inexistência de 
tendência de um 
volume ganhar ou 
perder flutuação 
40 
Condições de Estabilidade 
Exemplos típicos de gradientes térmicos verticais de temperatura 
Subadiabático 
Condição na qual a 
temperatura diminui 
mais gradualmente 
que 0,98ºC/100m, é 
na realidade 
levemente estável 
11/18/2011 41 
Classes de Estabilidade 
Determinação prática da Estabilidade 
Atmosférica 
Desde que, nenhum 
esquema de classificação 
do grau de turbulência foi 
até então reconhecido com 
superior pela comunidade 
científica, utilizaremos o 
proposto por Pasquill, 
Gifford, Briggs e outros, 
que reduz uma variedade 
infinita de condições de 
estabilidade a seis 
categorias 
Muito Instável A 
Moderamente Instável B 
Levemente Instável C 
Neutra D 
Levemente Estável E 
Moderadamente 
Estável 
 F 
11/18/2011 42 
Classes de Estabilidade 
Classes de estabilidade de Pasquill-Gifford 
11/18/2011 43 
Lapse Rate Superadiabática (Instável) 
• O decréscimo de temperatura é é maior que -10o C/km 
• Occorre em dias ensolarados 
• Caracterizado por intensa mistura vertical 
• Excelente condição para dispersão 
11/18/2011 44 
Lapse Rate Neutra 
• O decréscimo de temperatura é similar à lapse rate 
adiabática 
• Resulta de: 
– Condições de nebulosidade 
– Elevadas velocidades dos ventos 
– Transições dia/noite 
• Descreve boas condições de dispersão 
Lapse Rate Isotérmica (Fraca/ Estável) 
• Caracterizada por não haver variação de temperatura 
com a altura 
• Atmosfera é levemente estável 
• Condições de dispersão moderadas 
11/18/2011 45 
Lapse Rate Invertida (Forte Estabilidade) 
• Caracterizada pelo aumento detemperatura com 
a altura 
Ocorre durante o dia ou à noite? 
Está associada com sistemas de alta ou baixa pressão? 
Melhora ou piora a qualidade do ar? 
www.ew.govt.nz/enviroinfo/air/weather.htm 
www.co.mendocino.ca.us/aqmd/Inversions.htm 
Inversion 
11/18/2011 46 
Inversão 
http://www.co.mendocino.ca.us/aqmd/pages/Inversion-Art-(web).jpg 
11/18/2011 47 
Inversão 
• Dois principais tipos de inversão: 
– Inversão de Subsidência: descida de ar no interior de 
uma massa de ar de alta pressão 
– Inversão de radiação: radiação noturna a partir do 
resfriamento da superfície 
11/18/2011 48 
Inversões de Radiação 
• Resulta do resfriamento radiativo da superfície 
• Ocorre em noites limpas (sem nuvens) 
• Tipicamente com base à superfície 
• Intensificada em áreas de vales 
• Causa aprisionamento dos poluentes 
 
www.co.mendocino.ca.us/aqmd
/Inversions.htm 
Fig 3.3 
11/18/2011 49 
Inversões de Radiação 
• Quebrada após o nascer do sol 
• A quebra da inversão descreve uma fumigação 
de.wikipedia.org/wiki/Smog11/18/2011 50 
Inversões de Radiação 
• Elevadas inversões são formadas sobre áreas 
urbanas 
– Devido ao efeito da ilha de calor 
– Devido ao domo de poeira 
Fig 3.4 
11/18/2011 51 
Inversão de Subsidência 
• Associada com sistemas de alta pressão 
• Camada de inversão é formada acima 
• Cobre centenas de milhares de km² 
• Persiste por dias 
Fig 3.5 apollo.lsc.vsc.edu/.../smog_var_geo.html 
11/18/2011 52 
Inversões 
• Frontal – ar quente se posiciona sobre o ar frio 
• Advecção – ar quente flui sobre uma superfície 
fria ou ar frio 
www.atmos.ucla.edu/.../inversions/Note03.html 
11/18/2011 53 
Dispersão de Fontes Pontuais 
• Poluentes emitidos na forma de pluma 
www.epa.gov/.../muncpl/landfill
/sw_combst.htm 
Por que a pluma se expande à medida que é deslocada 
pelo vento? 
Quais são os fatores que influenciam a história da 
pluma? 
O impacto na qualidade do 
ardepende da dispersão, que 
depende da altura da pluma 
11/18/2011 54 
Dispersão de Fontes Pontuais 
• Elevação da pluma afeta o transporte 
– Efeitos das máximas concentrações ao nível da superfície 
– Efeitos à distância 
Sob que condições pode-se ter uma maior altura efetiva da chaminé? 
11/18/2011 55 
Altura Efetiva da Chaminé 
11/18/2011 56 
Altura Efetiva da Chaminé 
• Altura efetiva da chaminé 
– Diferentes modelos – tentativas de reproduzir dados 
experimentais 
– Origem virtual da chaminé 
hhH s 
Parâmetros que influenciam a elevação da pluma: 
-Geometria da chaminé 
-Meteologogia (vento e estabilidade) 
-Natureza físico-química do efluente 
11/18/2011 57 
Altura Efetiva da Chaminé 
• Elevação da pluma: 
• Empuxo 
• Momentum da pluma na saída da chaminé 
– Modelo ISC3 – Dados de Briggs 
– Alternativa (de Nevers): 
 
  





 
 
s
ass
T
TT
PDx
u
DV
h 31068.25.1
Δh(m); Velocidade na saida Vs(m/s); Diâmetro da 
chaminé (m); Velocidade do vento u (m/s); Pressão 
atmosferica P (mbar); Temperatura de saida da 
chaminé Ts(K); Temperatura ambiente Ta(K) 
11/18/2011 58 
Pluma da Chaminé: Looping 
É uma condição estável ou instável? 
Alta ou baixa velocidade do vento? 
Ocorre durante o dia ou à noite? 
É boa para a dispersão dos poluentes? 
http://www.med.usf.edu/~npoor/3 
Forte turbulência 
11/18/2011 59 
Comportamento de uma Pluma 
11/18/2011 60 
Ventos intensos; não-turbulência 
Qual é a classe de estabilidade? Boa mistura vertical? 
Em dias ensolarados ou nublados? 
Boa condição para dispersão dos poluentes? 
Qual é a concentraçãoà superfície em função da distância da chaminé? 
Pluma da Chaminé : Coning 
11/18/2011 61 
Qual é a classe de estabilidade? 
Como é o topo da pluma? 
Qual a concentração à superfície em função da distância da chaminé? 
http://www.med.usf.edu/~npoor/4 
Pluma da Chaminé : Fanning 
11/18/2011 62 
Por que os poluentes não podem ser dispersados para cima? 
Acontece durante à noite ou de dia? 
Qual a concentração à superfície em função da distância da chaminé? 
Qual a sua opinião acerca de fontes expressivas de emissão reduzirem suas 
atividades das 03:00h até 3 horas após o nascer do sol? 
Pluma da Chaminé : Fumigation 
11/18/2011 63 
Por que os poluentes não podem ser dispersados para baixo? 
Quando isso ocorre? 
Qual a concentração à superfície em função da distância da chaminé? 
Pluma da Chaminé : Lofting 
11/18/2011 64 
Qual a classe de estabilidade? 
Qual a concentração à superfície em função da distância da chaminé? 
Pluma da Chaminé : Trapping 
11/18/2011 65 
Transporte à Longa-Distância 
• Transporte de poluentes por centenas/milhares de 
km, resultando em problemas de poluição do 
armuito distante da fonte 
Exemplos? 
Transporte Planetário 
• Ar estável acima da CLP retarda a mistura vertical 
• Transporte acima da CLP à atmosfera livre leva 
algumas horas à alguns dias 
• Transporte para o topo da troposfera com uniforme 
mistura leva em torno de 1 semana para poluentes 
de maior tempo de residência (CO2, CH4, CFC) 
11/18/2011 66 
Transporte Planetário 
• Significantes diferenças de concentrações 
entre os 2 hemisférios; a mistura entre os 
hemisférios leva aproximadamente 1 ano 
Por que? 
www.newmediastudio.org/.../Trade_Winds.html 
Trocas Estratosfera-
Troposfera 
Esta troca é lenta? Por que? 
11/18/2011 67 
Trocas Estratosfera-Troposfera 
• Trocas de massa da troposfera com a estratosfera 
levam 18 anos 
• Trocas de massa da estratosfera com a troposfera 
levam 2 anos 
Fig 3.9 
11/18/2011 68 
Circulação Estratosférica 
• Caracterizada por fluxos horizontais (devido aos 
gradientes térmicos entre o equador e polos 
– N-S (meridional) 
– E-W (zonal) 
• Driven by atmospheric pressure waves 
– Poleward in the winter Hemisphere 
– Significantly affects transport of O3 
– Affects the movement of CFCs 
www.newmediastudio.org/.../Easterly_Waves.html